Как устроены клапаны двигателя внутреннего сгорания

Автомобиль

Что такое клапан двигателя

Клапан представляет собой металлическую деталь, которая устанавливается в головку блока цилиндров. Он является частью газораспределительного механизма и приводится в действие распределительным валом.

В зависимости от модификации автомобиля двигатель будет иметь нижний или верхний ГРМ. Первый вариант до сих пор встречается в некоторых старых модификациях силовых агрегатов. Большинство производителей давно перешли на второй тип газораспределительного механизма.

Клапан двигателя. Назначение, устройство, конструкция

Причина этого в том, что такой двигатель проще в настройке и ремонте. Для регулировки клапанов достаточно снять клапанную крышку, при этом не обязательно разбирать весь узел.

Процесс горения смеси исправного двигателя

Чтобы лучше понять причины прогара клапанов, необходимо знать основы процессов газообмена в двигателе и их последовательность.

  1. Впускной ход. Впускные клапаны открыты, поршень движется вниз, создавая вакуумную зону. В этот момент из впускного канала всасывается смесь топлива и воздуха (бензиновые двигатели с распределительным впрыском во впуск или с монофорсункой) или чисто воздушный заряд (ДВС дизельного цикла и бензиновые двигатели с непосредственным впрыском).
  2. Такт сжатия. Поршень начинает двигаться вверх, впускной и выпускной клапаны закрываются. Смесь сжимается, температура в камере сгорания повышается.
  3. Рабочий ритм. За несколько градусов до верхней мертвой точки (ВМТ) цилиндра смесь воспламеняется от искры (бензиновые двигатели внутреннего сгорания) или самовоспламеняется при контакте с нагретым воздухом (дизельные двигатели). Под действием силы расширяющихся газов поршень устремляется вниз. Возвратно-поступательное движение поршня через шатунно-кривошипный механизм передается во вращательное движение коленчатого вала.
  4. Отбрасывайте удары. Выпускные клапаны открыты. Поршень, перемещающийся в ВМТ, выталкивает выхлопные газы в выпускной тракт.

Умышленно опущены фазы перекрытия клапанов и инерционного заполнения, так как они существенно не влияют на оценку проблемы прогорания клапанов.

ДВС с одним валом

Есть такие модели двигателей внутреннего сгорания, которые способствуют прямому воздействию кулачков на рычаги, они обычно маленькие, их еще называют пальцами. В таком двигателе внутреннего сгорания тщательно продуман материал для заслонок. В нем не так много компонентов, играющих роль в открытии и закрытии заслонок. Так, в частности, ход автомобиля целиком зависит от кулачков, которые непосредственно воздействуют на короткие детали, открывающие или закрывающие клапаны.

Как видите, технических сложностей в такой системе немного, к тому же такая конструкция имеет небольшой вес. В нем совершенно отсутствуют стержни, выполняющие роль толкателя и коромысла, которое провоцирует на это толкатель, оказывая на него давление.

Материал цепи, способствующий правильному расположению вала на звезде, влияет на то, что она часто болтается.

Ядром решения этой проблемы станет необходимость добавления нескольких маленьких звездочек, а также натяжение короткой цепочки. Они также используют ремни, которые не растягиваются, их материал — резина. Внутри каждого такого маслостойкого ремня находятся шестерни, способствующие вращению распределительного и коленчатого валов.

Принцип работы впускного клапана

Своевременное открытие и закрытие впускного клапана обеспечивает угловое положение распределительного вала, точно синхронизированное 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 на цилиндр может быть несколько.

Чтобы кардинально изменить момент открытия клапанов, нужно купить комплект спортивных распредвалов

Прежде чем поршень достигнет верхней мертвой точки, впускной клапан начинает открываться, то есть во время такта впуска, когда поршень движется вниз, клапан уже открыт. Для разных моделей двигателей существует свое открытие клапана. Пределы качания 5-30 градусов.

А вот закрытие впускного клапана происходит с некоторой задержкой, после того как поршень достигает НМТ и начинает двигаться вверх. Наполнение цилиндра продолжается даже после начала движения. Это связано с инерцией во впускном коллекторе.

Втулки клапанов и их направляющие

Отвод тепла от штока клапана и его перемещение в плоскости возвратно-поступательного движения обеспечивают направляющие втулки. В процессе эксплуатации сами втулки подвергаются воздействию высоких температур, омываются горячими выхлопными газами. При движении клапана вперед-назад возникает трение между ним и поверхностью втулки. Если смазки недостаточно, трение работает практически всухую.

Именно по этой причине к материалу вкладышей предъявляется ряд требований, например: устойчивость к износу, высоким температурам, трению. Некоторые составы чугуна, алюминиевой бронзы, керамики обладают всеми свойствами, необходимыми для изготовления детали, отвечающей таким требованиям.

У впускных клапанов за счет разницы температур нагрева зазоры между направляющей втулкой и штоком делают меньшими. Нижняя часть втулки выполнена под конус для предотвращения заклинивания клапана.

Направляющие клапанов

Двигатель, имеющий один вал распределителя

Существуют двигатели внутреннего сгорания, не имеющие толкателей, поэтому для открытия и закрытия клапанов используется один тип распределительного вала. Такая конструкция называется двигателем с одним распределительным валом. Там детали клапана расположены в головке. В конструкции мало движущихся частей, что способствует надежности, поэтому можно действовать даже тогда, когда скорость автомобиля на пределе. При этом материал в качестве запчастей выполнен из металла (спецсплав).

Для более эффективной работы двигателя между элементами должно быть свободное пространство – зазор. Если между ножкой болта, кулачком или коромыслом нет зазора, система изнашивается и вызывает серьезные повреждения.

Также стоит отметить, что слишком большие зазоры приведут к тому, что клапан будет открываться слишком рано, а закрываться позже. Таким образом, мощность ДВС будет снижена, а при высоком давлении в клапанах ход поршня будет более шумным.

Если зазор маленький, давление будет меньше, из-за этого заслонка будет очень тяжело двигаться, и, таким образом, машина потеряет мощность.

Есть двигатели внутреннего сгорания, которые работают автоматически и сами настраивают заслонки на нужное действие. Для этого потребуется достаточное количество смазывающей жидкости, ведь именно под давлением будет работать клапанная система.

Классификация по количеству клапанов

Классическая версия четырехтактного двигателя требует для работы всего два клапана на цилиндр. Но к современным двигателям предъявляются все более высокие требования с точки зрения мощности, расхода топлива и бережного отношения к окружающей среде, так что этого им уже недостаточно. Так как чем больше клапанов, тем эффективнее будет наполнение цилиндра новым зарядом. В разное время на двигателях испытывались следующие схемы:

  • трехвентильные (вход — 2, выпуск — 1);
  • четырехклапанные (впуск — 2, выпуск — 2);
  • пятиклапанные (впуск – 3, выпуск – 2).

Лучшее заполнение и очистка цилиндров достигается за счет нескольких клапанов на цилиндр. Но это усложняет конструкцию двигателя.

Сегодня наиболее популярны двигатели с 4 клапанами на цилиндр. Первый из этих двигателей появился в 1912 году на 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.

Причина постороннего звука

принцип клапана

причины стука клапанов:

  • неправильная регулировка зазоров клапанов. В некоторых конструкциях газораспределительного механизма предусмотрены регулировочные болты, с помощью которых можно установить необходимый зазор между коромыслом и распределительным валом. По мере износа деталей клапанного механизма эти зазоры изменяются. В сервисной документации по ремонту и обслуживанию автомобиля производитель регламентирует периодичность плановой регулировки клапанов;
  • износ кулачка распределительного вала, рабочего участка коромысла, шарнира регулировочного болта и участка шарнира, упирающегося в коромысло. При сочетании этих неисправностей сложно правильно отрегулировать клапана. Неравномерный износ шарнира, выработка кулачка и коромысла в рабочей зоне приводят к изменению геометрии всего механизма. В этом случае для правильной работы двигателя предписанный регламент регулировки необходимо уменьшить;
  • выход из строя гидрокомпенсатора. Если по какой-то причине поршень гидрокомпенсатора не перемещается на нужную величину, расстояние между кулачком и толкателем будет слишком велико. Гидрокомпенсаторы чаще всего стучат в первые секунды/минуты после запуска, после чего посторонний звук пропадает.

Характерные поломки впускных клапанов

Безусловно, самой распространенной неисправностью клапанов нужно признать их загибание в результате обрыва ремня ГРМ. То же самое может произойти без паузы, если ремень заменил непрофессионал, по ошибке нанесший метки на шкивы коленвала и распредвала (или распредвалы). Особенно опасны поломки для современных сложных двигателей, оснащенных системой изменения фаз газораспределения и другими высокотехнологичными системами.

Еще одна распространенная неисправность в клапанном механизме – зарастание впускных и выпускных клапанов нагаром. Как правило, выявить проблему можно на достаточно ранней стадии по снижению мощности и дребезгу во впускном и выпускном патрубках, металлическому стуку в ГБЦ и падению мощности двигателя.

Впускной и выпускной клапан

Читайте также: ESP или электронная программа стабилизации в автомобиле: что это и как работает

Углеродные отложения на седлах и клапанах препятствуют плотной посадке и снижают компрессию. В результате снижается и мощность двигателя. Поврежденные пружины могут привести к отсоединению клапана от седла и вызвать деформацию головки блока цилиндров, точечную коррозию или заедание штока. Большой тепловой зазор между рычагом и стержнем клапана также приводит к резкому металлическому стуку и падению мощности двигателя.

Выточки под клапана (седла)

От качества проточки клапанов напрямую зависит долговечность и правильная работа ДВС. Если клапан и седло не сопрягаются должным образом, не будет обеспечена надлежащая герметичность камеры сгорания, и преждевременный отказ двигателя неизбежен. Посадочные места выполнены непосредственно в ГБЦ, в данном случае речь идет о головках из чугуна. Или делаются вставными, из стали, например в алюминиевых головках.

Вставные седла удерживаются в голове за счет нажатия или развальцовки.

Назначение и особенности устройства

Клапан представляет собой подпружиненный элемент. В спокойном состоянии плотно закрывает отверстие. При вращении распределительного вала кулачок давит на клапан и опускает его. Это открывает отверстие. Узел распределительного вала подробно описан в другом обзоре.

Каждая деталь играет свою функцию, которую конструктивно невозможно выполнить аналогичному элементу, расположенному рядом. На цилиндр не менее двух клапанов. В более дорогих моделях устройств их четыре. Этих элементов в большинстве случаев четное количество, и они открывают разные группы отверстий: одни входные, другие выходные.

Клапан двигателя. Назначение, устройство, конструкция

Впускные клапаны отвечают за подачу в цилиндр свежей части топливовоздушной смеси, а в двигателях с непосредственным впрыском (разновидность системы впрыска топлива, она описана здесь) — за объем свежего воздуха. Этот процесс происходит в момент совершения поршнем такта впуска (из верхней мертвой точки после удаления выпуска он движется вниз).

Выпускные клапаны имеют тот же принцип открытия, только выполняют другую функцию. Они открывают отверстие для вывода продуктов сгорания в выпускной коллектор.

Как определить стук клапанов?

автомобильный клапан

Для определения стука клапанов нужен технический фонендоскоп. Вы сможете максимально точно локализовать источник звука, отделив стук в двигателе со стороны цепного привода ГРМ от патрубка гидрокомпенсаторов, который будет слышен из-под клапанной крышки.

В некоторых случаях источник постороннего звука можно определить по косвенным признакам неисправности тех или иных узлов. Так клапаны на холодном двигателе чаще всего указывают на избыточный тепловой зазор, который уменьшается по мере прогрева двигателя.

Неправильную работу гидрокомпенсаторов также можно определить на слух и по косвенным признакам:

  • появляется характерный стрекот в первые секунды или минуты после запуска;
  • вентиляционные отверстия горячие. По мере прогрева двигателя вязкость масла уменьшается. При увеличении зазоров в поршневой паре из-за критического износа снижается давление масла и давление на поршень. В результате гидрокомпенсатор не компенсирует тепловой зазор.

Посторонний шум из-за проблем с клапанным механизмом чаще всего отчетливо слышен на холостом ходу и на малых оборотах. Если вы слышите стук клапанов автомобиля при разгоне, скорее всего, вы принимаете этот посторонний звук за симптомы детонационного сгорания или стук поршневых пальцев.

Прогорел клапан или проблемы с поршневой?

Прогоревший клапан далеко не единственная причина снижения компрессии в цилиндре. Поэтому следующие шаги помогут нам понять, прогорел ли клапан или это проблема с поршневой системой.

Самый примитивный тест — залить в «опущенный» цилиндр несколько кубов моторного масла, а затем повторить замер. Если компрессия увеличилась, то причина не в прогоревших клапанах, а в цилиндро-поршневой группе (ЦПГ).

Вытащите щуп и посмотрите, сколько газа выходит из отверстия. Если двигатель сильно дышит, причина в поршне. Если система вентиляции картерных газов справляется со своей задачей, значит, прогорело седло клапана или сам клапан. В более продвинутом варианте диагностики специальный прибор измеряет объем картерных газов.

Чтобы определить прогар клапана, а не поршня, осмотрите цилиндр эндоскопом. Если вы заглянете внутрь двигателя, то увидите прогоревший клапан. Если поршень остановился в верхней точке и невозможно повернуть кулачок вверх, слегка проверните двигатель стартером или ключом за шкив коленчатого вала.

Основы теории работы клапанов

Экспериментальные исследования работы клапанов поршневого насоса показывают, что зависимости скорости поршня V, давления в цилиндре p и высоты подъема клапана h от угла поворота коленчатого вала φ имеют вид.

Из графика видно, что клапаны медленно открываются и закрываются по сравнению со скоростью поршня V под углом j0′ для всасывающего клапана и под углом j0″ для нагнетательного клапана резкое изменение давления в цилиндре от рН рВ и наоборот, клапан испытывает значительные перегрузки, так как в это время поршень движется уже со скоростями V и V», а подъем клапана падает до нуля. Это может привести к удару клапана о седло.

Для определения закона изменения высоты подъема клапана используется упрощенная схема равновесия клапана в открытом состоянии (гидравлическими и механическими сопротивлениями пренебрегаем).

В этом случае на клапан действует сила пружины R, вес диска G и сила гидростатического давления.

где р1, р2 – давления жидкости;

— площадь диска клапана диаметром d.

Из условия равновесия следует, что P = R + G или (р1 –p2) fKЛ, = R+G .

Таким образом, через кольцевое щелевое отверстие клапана происходит движение жидкости под давлением:

Используя формулу расхода жидкости через отверстие при постоянном давлении, определяем расход жидкости в канавке клапана

где μ — коэффициент расхода клапана, зависящий от его гидравлического сопротивления и высоты подъема. (Например, для тарельчатого клапана с плоским дном при изменении высоты h = 1 мм до 12 мм коэффициент расхода μ уменьшается от 0,87 до 0,445 8.

Теоретический расход через клапан.

Из условия непрерывности потока расход через клапан равен мгновенной подаче в насос (расход через седло клапана)

Таким образом, подъем клапана равен:

и скорость подъема клапана соответственно

Графическая зависимость высоты подъема и скорости клапана от угла поворота кривошипа

Если скорость клапана в начале хода имеет конечное значение (cos0=1), то для его подъема необходимо придать значительное теоретически бесконечно большое ускорение, т.е применить бесконечную силу. Изучение работы клапанов показывает, что давление открытия клапанов имеет конечное значение, несколько превышающее давление соответствующего процесса.

Полученный закон движения клапана не является точным, так как работа клапана представлена ​​из условия, что он открыт и находится в равновесии.

Фактически клапан находится в движении, при этом жидкость будет задерживаться под диском клапана в период подъема и больше жидкости будет проходить через седло, т е qc > µ, а при опускании клапана qc < µ .

Уравнение потока подвижного клапана записывается с поправкой Вестфаля:

ВКЖл — принимается с определенным допущением по формуле выше. Подъем клапана теперь

Графическое суммирование синусоиды 1 и косинуса 2 позволяет определить угол задержки клапана φ0 и высоту задержки посадки клапана h0.

Графическая зависимость лучше соответствует экспериментальным данным исследования работы клапана.

Такая работа клапана приводит к утечке жидкости и посадке клапана с ударом, так как поршень под углом φ=180° имеет скорость V=0, поэтому при движении поршня в обратном направлении при открытом клапане давление в цилиндр резко изменится, из-за чего клапан приземлится с глухим стуком.

Необходимо учитывать, что цилиндр насоса имеет два клапана, всасывающий и нагнетательный, поэтому задержка в закрытии одного из клапанов вызовет утечку жидкости через другой.

Безударная работа клапанов

Одним из требований к арматуре является условие тихой, безударной работы. В результате изучения работы клапанов профессор И. И. Куколевский (МВТУ) и другие исследователи установили «предел детонации», т е скорость седла клапана, при которой оно начинает при ударе оседать — стучать. Установлено, что эта скорость составляет VCL = 50÷60 мм/с при работе арматуры без уплотнений.

Максимальная скорость движения клапана и максимальный подъем клапана

Сравнивая и получаем VMAX =ώ hMAX или

ВКЛ = 50÷60= ; .

Таким образом, «банковский лимит» определяется по формуле

nhMAX = 500÷600.

Отсюда следует, что при определении предельного числа двойных ходов необходимо учитывать условие «детонационного предела» клапанов.

Ротационные насосы

Шестеренчатые насосы

Шестеренчатые насосы представляют собой роторно-вращательные гидравлические машины. Они изготавливаются с шестернями внешнего и внутреннего зацепления, причем первый тип насоса является наиболее распространенным, так как он проще в изготовлении. На рис. 7.1 показан шестеренный насос. В корпусе 1 плотно установлены две шестерни, ведущая шестерня 2 на валу, прикрепленном к валу двигателя, и ведомая шестерня 3. Жидкость, попадая в полость зубьев, переносится в камерах, образованных между шестерней и корпусом, от входной трубы A к напорной трубе B. Зацепляющиеся зубья создают уплотнение лабиринтного типа, которое предотвращает перетекание жидкости из порта B в порт A.

Идеальный расход шестеренных насосов определяется по упрощенной формуле

где 2πDНmb=V и представляет собой сумму объемов полостей (камер) обеих шестерен за вычетом объемов радиальных зазоров в зацеплении (DH – диаметр делительной окружности ведущей шестерни, m и b – зацепления и ширина шестерни).

Шестеренчатые насосы изготавливают с 8-16 зубьями, уменьшение числа зубьев увеличивает неравномерность подачи, а увеличение числа зубьев усложняет транспортировку жидкости, так как полости зубьев становятся мелкими.

Шестеренчатые насосы с внешним зацеплением просты по конструкции и надежны в эксплуатации, имеют малые габариты и массу, компактны. Хорошо работает с вязкими жидкостями.

Давление, развиваемое насосами, обычно составляет (3-100) 105 Па (3-100 кгс/см2), расход находится в пределах от 6 до 5000 л/мин при частоте вращения 1500-3000 об/мин, КПД шестеренчатые насосы 0,6-0,9.

Для повышения давления жидкости применяют многоступенчатые шестеренчатые насосы путем последовательного соединения в одном корпусе нескольких зубчатых пар. Для увеличения подачи применяют многоступенчатые насосы, где вокруг ведущей шестерни размещают 3-7 ведомых шестерен.

Винтовые насосы

Винтовые насосы доступны с одним, двумя или тремя винтами.

Винтовые насосы, в отличие от шестеренных, способны перекачивать жидкости разной вязкости, они надежны в работе, компактны и практически не имеют неравномерной подачи.

Одновинтовой насос, у которого в корпусе 1 имеется резиновая двухходовая обойма 2, стальной однозаходный винт 3, который посредством карданного вала 4 соединяется с приводным валом:. Так как зажимы имеют двойной шаг винта, при вращении винта между ним и зажимом образуется полость, где всасываемая жидкость закрывается и переносится в зону нагнетания. За один оборот вала величина осевого смещения жидкости в насосе будет равна шагу клетки t.

Клетка в поперечном сечении представляет собой две полуокружности радиуса R (рис. 7.3), центры которых разнесены на расстояние 4e. R и e — радиус и эксцентриситет винта относительно оси

Таким образом, площадь поперечного сечения потока равна разности поперечных сечений обоймы и шнека:

Объем жидкости в полостях между винтом и держателем равен:

, t — шаг винта

Таким образом, идеальный расход одновинтового насоса составляет:

В многовинтовых насосах один винт является проводящим, а остальные приводными. Жидкость движется в полостях между винтами и корпусом, в который входят винты.

Идеальный расход такого насоса можно определить, если

площадь поперечного сечения тела F известна, общая площадь

поперечное сечение всех винтов, шаг ходового винта и число витков .

Одновинтовые насосы способны перекачивать жидкости с

механических примесей, их используют как погружные для перекачки нефти и других жидкостей. Эти насосы развивают небольшое давление 3¸20 кгс/см2 ((3¸20) 105 Па), их подача составляет от 80 до 400 л/мин при частоте вращения 1500 об/мин, КПД всего 0,4¸0,65.

Трехвинтовые насосы используются для перекачивания высоковязких нефтепродуктов. Пригодны для работы при давлениях до 200 кгс/см (200×105 Па) в широком диапазоне расходов от 3 до 9000 л/мин, допускают высокие обороты (до 18000), КПД. 0,7¸0,8.

Двухвинтовые насосы выпускаются для относительно небольших расходов (20 — 40 л/мин) при давлениях до 100 кгс/см .

Конструкция клапанов двигателя

Соответствующие детали входят в состав клапанной группы газораспределительного механизма. Вместе с другими деталями они обеспечивают своевременное изменение фаз газораспределения.

Рассмотрим конструктивные особенности клапанов и сопутствующих деталей, от которых зависит их эффективная работа.

Клапаны

Клапаны имеют форму стержня, с одной стороны имеется головной или пластинчатый элемент, а с другой — пяточный или торцевой. Плоская часть предназначена для герметизации отверстий в головке блока цилиндров. Между пластиной и стержнем делается плавный переход, а не ступенька. В результате получается обтекаемый клапан, благодаря чему он не создает сопротивления движению рабочей среды.

В двигателе впускные и выпускные клапаны будут немного отличаться. Так для первых частей пластина будет шире, чем для вторых. Причиной этого является высокая температура и высокое давление при отводе продуктов сгорания через газоотвод.

Клапан двигателя. Назначение, устройство, конструкция

Для удешевления деталей клапаны изготавливаются из двух частей. Они отличаются по составу. Эти две части соединяются сваркой. Рабочая фаска диска выпускного клапана также является отдельным элементом. Его сваривают из разного вида металла, обладающего термостойкими свойствами, а также устойчивостью к механическим воздействиям. В дополнение к этим свойствам торцевая поверхность выпускных клапанов не так подвержена образованию ржавчины. Правда, у многих клапанов эта деталь выполнена из материала, идентичного металлу, из которого сделана тарелка.

Головки входных элементов обычно плоские. Такая конструкция обладает нужной жесткостью и простотой исполнения. Форсированные двигатели могут быть оснащены клапанами с вогнутыми пластинами. Эта конструкция немного легче своего стандартного аналога, что снижает силу инерции.

Что касается розеточных аналогов, то форма головки будет либо плоской, либо выпуклой. Второй вариант более эффективен, так как обеспечивает лучший отвод газов из камеры сгорания за счет ее обтекаемости. Кроме того, выпуклая плита более прочная, чем плоская. С другой стороны, такой элемент тяжелее, из-за чего страдает его инерционность. Для этих типов деталей потребуются более жесткие пружины.

Клапан двигателя. Назначение, устройство, конструкция

Также конструкция штока этого типа клапана немного отличается от впускных частей. Для обеспечения лучшего отвода тепла от элемента толщина стержня увеличена. Это повышает устойчивость к сильному нагреву детали. Однако у этого решения есть недостаток — оно создает большее сопротивление удаляемым газам. Несмотря на это, производители до сих пор используют эту конструкцию, потому что выхлопные газы выбрасываются под высоким давлением.

На сегодняшний день существует инновационная разработка клапанов с принудительным охлаждением. Данная модификация имеет полый сердечник. Жидкий натрий закачивается в полость. Это сильно нагретое вещество (помещенное возле головы) испаряется. В результате этого процесса газ поглощает тепло от металлических стенок. По мере подъема газ охлаждается и конденсируется. Жидкость стекает к основанию, где процесс повторяется.

Для того чтобы клапаны обеспечивали герметичность сопряжения, в седле и на тарелке выбирают фаску. Он также выполнен со скошенной кромкой для устранения ступеньки. При установке клапанов на двигатель они трутся о головку.

Клапан двигателя. Назначение, устройство, конструкция

На герметичность соединения седла с головкой влияет коррозия, образующаяся на ремне, а выхлопные детали часто страдают от нагарообразования. Для продления срока службы клапана некоторые двигатели оснащены дополнительным механизмом, слегка поворачивающим клапан при закрытом выпускном отверстии. Благодаря этому удаляется образовавшаяся сажа.

Иногда случается, что стержень клапана ломается. Из-за этого деталь попадет в цилиндр, что повредит двигатель. Для выхода из строя коленвалу достаточно совершить пару оборотов по инерции. Чтобы предотвратить эту ситуацию, производители автоклапанов могут оснащать деталь стопорным кольцом.

Немного о характеристиках пятки клапана. Эта деталь подвергается силе трения, так как на нее воздействует кулачок распределительного вала. Чтобы клапан открылся, кулачок должен толкнуть его достаточно сильно, чтобы сжать пружину. Этот узел должен получать достаточную смазку и, чтобы не изнашиваться быстро, он закален. Некоторые производители двигателей используют специальные колпачки из материалов, устойчивых к таким нагрузкам, для предотвращения износа шатунов.

Клапан двигателя. Назначение, устройство, конструкция

Чтобы клапан не заедал во втулке при нагреве, часть штока возле тарелки немного тоньше, чем часть возле пятки. Для фиксации клапанной пружины в торце клапанов делают две канавки (в некоторых случаях одну), в которые вставляются опорные штифты (неподвижная пластина, в которую упирается пружина).

Клапанные пружины

На эффективность клапана влияет пружина. Это необходимо для того, чтобы головка и седло обеспечивали герметичное соединение, а рабочая среда не проникала в образовавшийся свищ. Если эта часть очень твердая, кулачок распределительного вала или шток клапана быстро изнашиваются. С другой стороны, слабая пружина не сможет обеспечить плотную посадку между двумя элементами.

Поскольку этот элемент работает в условиях быстро меняющихся нагрузок, он может сломаться. Для предотвращения быстрых поломок производители силовых агрегатов используют разные типы пружин. Иногда устанавливаются двойные типы. Такая модификация снижает нагрузку на отдельный элемент, тем самым увеличивая срок его службы.

Клапан двигателя. Назначение, устройство, конструкция

В этой конструкции пружины будут иметь разное направление качания. Это предотвращает попадание частиц сломанной детали между витками другой. Для производства этих элементов используется пружинная сталь. После формирования изделия его отверждают.

По краям каждая пружина шлифуется, что обеспечивает контакт всей опорной части клапанной головки и верхней пластины, прикрепленной к головке блока цилиндров. Чтобы деталь не окислялась, ее покрывают слоем кадмия и оцинковывают.

Помимо классических клапанов ГРМ, в спортивных моделях для транспорта может использоваться пневматический клапан. По сути, это тот же элемент, только в движение он приводится специальным пневматическим механизмом. Благодаря этому достигается такая точность работы, что двигатель способен развивать невероятные обороты – до 20 тысяч.

Клапан двигателя. Назначение, устройство, конструкция

Эта разработка появилась в 1980-х годах. Он способствует более точному открытию/закрытию отверстий, чего не может обеспечить никакая пружина. Этот привод приводится в действие сжатым газом в резервуаре над клапаном. Когда кулачок ударяет по клапану, сила удара составляет ок. 10 бар. Клапан открывается, и когда распределительный вал сбрасывает давление на пятку, сжатый газ быстро возвращает деталь на место. Для предотвращения падения давления из-за возможных утечек система оснащена дополнительным компрессором, давление в баке которого составляет ок. 200 бар.

Клапан двигателя. Назначение, устройство, конструкция
Джеймс Эллисон, PBM Aprilia, тест CRT в Хересе, февраль 2012 г

Такая система используется в мотоциклах класса MotoGP. Этот транспорт при литре объема двигателя способен развивать 20-21 тысячу оборотов коленчатого вала. Одной из моделей с подобным механизмом является одна из моделей мотоциклов Aprilia. Мощность составляла невероятные 240 л.с. Согласитесь, это слишком много для двухколесного транспорта.

Направляющие втулки клапанов

Роль этой детали в работе клапана заключается в обеспечении его прямолинейного движения. Втулка также способствует охлаждению штока. Эта часть нуждается в постоянной смазке. В противном случае шток будет подвергаться постоянным термическим нагрузкам и втулка быстро изнашивается.

Материал, который можно использовать для изготовления таких вкладышей, должен обладать термостойкостью, выдерживать постоянное трение, хорошо проводить тепло от прилегающей детали, а также выдерживать высокие температуры. Таким требованиям могут удовлетворить перлитный серый чугун, алюминиевая бронза, керамика с хромом или хромоникелем. Все эти материалы имеют пористую структуру, благодаря чему способствуют удержанию масла на поверхности.

Клапан двигателя. Назначение, устройство, конструкция

Втулка выпускного клапана будет иметь немного больший зазор штока, чем впускной аналог. Причиной этого является большее тепловое расширение клапана, работающего на удаление отработавших газов.

Седла клапанов

Это контактная часть отверстия головки цилиндров возле каждого цилиндра и диска клапана. Так как эта часть головки сталкивается с механическими и термическими нагрузками, она должна обладать хорошей устойчивостью к высокой температуре и частым ударам (при быстрой езде автомобиля обороты распредвала настолько высоки, что клапана буквально проваливаются в седло).

Если блок цилиндров и головка выполнены из алюминиевого сплава, седла клапанов обязательно будут из стали. Чугун хорошо справляется с такими нагрузками, поэтому седло в этой модификации выполнено в самой голове.

Клапан двигателя. Назначение, устройство, конструкция

Есть также вставные седла. Их изготавливают из легированного чугуна или жаропрочной стали. Чтобы фаска на элементе не так сильно изнашивалась, ее делают наслоением жаропрочного металла.

Вставное сиденье фиксируется в головном отверстии различными способами. В некоторых случаях ее запрессовывают и в верхней части элемента делают канавку, которая при установке заполняется металлом в корпусе головки. Это создает целостность сборки из разнородных металлов.

Стальное сиденье крепится за счет расширения верхней части в корпусе головки. Различают цилиндрические и конические седла. В первом случае они монтируются до упора, а остальные имеют небольшой торцевой зазор.

Виды запорных клапанов в зависимости от конструкции затвора

По конструкции запорного механизма регулирующие клапаны делятся на седельные, ячейковые, мембранные и золотниковые.

Седельные клапаны

У седельных моделей в качестве рабочего элемента выступают поршень (тарельчатый, игольчатый, шток) и седло, расположенное между сквозным отверстием и внутренней частью клапана.

По конструкции различают одно- и двухседельные клапаны. Односедельные фитинги имеют только одно сквозное отверстие, поэтому их устанавливают на трубопроводах с малым условным проходом (до DN150 мм). Двухместные модели отличаются более точной регулировкой давления и применяются в трубопроводных системах с DN до 300 мм и средним давлением до 6,5 МПа.

Клеточные

Клапаны сотового типа имеют затвор в виде полого перфорированного цилиндра. Радиальная перфорация устройства позволяет регулировать давление в трубопроводе. Затвор перемещается внутри клетки (камеры с отверстиями) и меняет поток.

Эти клапаны характеризуются низким уровнем шума и вибраций при работе.

Золотниковые

Золотниковые клапаны позволяют регулировать уровень давления транспортируемой среды поворотом золотника на определенный угол. Механизм работы этого фитинга аналогичен крану. Он прост в управлении — для поворота затвора не требуется значительных усилий, так как рабочая среда не сопротивляется движению затвора.

Золотниковые клапаны в основном используются в энергетике. Но эта арматура не может обеспечить полной герметичности при закрытом затворе, а потому не может применяться в магистральных системах высокого давления.

Мембранные

Мембранные клапаны имеют в своей конструкции особый элемент — эластичную мембрану (из резины или фторопласта), которая регулирует давление среды. Для исключения погрешностей показателей клапан снабжен позиционерами, контролирующими положение штока.

Мембранные клапаны оснащены пневматическим или гидравлическим приводом, который может быть встроенным или внешним.

Основным преимуществом данного типа конструкции клапана является его устойчивость к коррозии и агрессивным веществам. Это означает, что его можно использовать в нефтехимической промышленности.

Оцените статью
Блог про автомобильные парковки