Как устроены клапана двигателя внутреннего сгорания

Детали клапанной группы

Клапанная группа

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).

Главная страница

Устройство автомобилей

• Экзаменационные билеты

для группы Т-21 (IV семестр)

для группы Т-31 (V семестр)

для группы Т-31 (VI семестр)

КГБПОУ «Каменский агротехнический техникум»

Материалы: http://k-a-t.ru/PM.01_mdk.01.01/3_dvs_8_4/

• Легковые автомобили
• Легковые такси
• Маршрутные автобусы
• Автобусы <= 16 мест
• Автобусы > 16 мест
• Грузовые авто <= 16 тонн
• Грузовые авто > 16 тонн
• Тракторы и стоит. техника
• Мотоциклы
• Троллейбусы
• Трамваи

• Сначала выберите марку

2 клика и вы узнаете самый выгодный тариф!

Если Вы читали статью о работе двигателя, то знаете, что существует 4 такта работы мотора:

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 кулачки, яйцевидные "отростки" на валу, которые и толкают клапаны в нужный момент. И вот как это выглядит:

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 подвесной системой клапанов (OHV).

Материалы: http://howcarworks.ru/%D0%B2%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81/%D0%BA%D0%B0%D0%BA-%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%B0%D1%8E%D1%82-%D0%BA%D0%BB%D0%B0%D0%BF%D0%B0%D0%BD%D1%8B-%D0%B2-%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B5

Клапана двигателя в процессе работы двигателя подвергаются трению и в результате приходят в негодность, а установленные зазоры изменяются. Тепловой зазор клапанов имеет немаловажное значение в клапанном механизме. Чтобы двигатель нормально функционировал, необходимо соблюдать время открытия и закрытия клапанов, и сохранять герметичность клапана в закрытом состоянии.

Пока температура двигателя не достигла нужных параметров, между торцом и коромыслом, или толкателем и распределительным валом должен соблюдаться зазор, который был определён заводом. Он установлен на основании температурного расширения металла. Смысл этого расширения в том, что при нагревании двигателя до рабочей температуры многие составные части газораспределительного механизма нагреваются и, следуя законам физики, изменяются в размере и в форме. Тепловые зазоры, рекомендуемые для различных двигателей, будут отличаться по значениям, так как тепловое расширение различных металлов неодинаково, а также форма и размеры деталей различны.

Отличие теплового зазора впускного и выпускного клапана двигателя объясняется различной температурной загруженностью и тем, что клапаны изготовлены из металлов, имеющих различные свойства.

При правильно установленных зазорах, после прогревания размеры клапанов уменьшаются до минимума, в результате этого достигается своевременное регулирование фаз газораспределения и длительный срок эксплуатации деталей. Если обратить внимание на работу непрогретого двигателя, то слышен повышенный шум. Поэтому для предотвращения ударных нагрузок на торец клапана, важно не допускать прогревание двигателя на больших оборотах.

В процессе работы постепенно происходит расклёпывание клапанов и седла, углубление посадки клапана в седле, в результате чего тепловой зазор уменьшается. Более детальную информацию о седле клапана можно найти в статье, размещённой на сайте.

Уменьшение зазора происходит в результате изнашивания кулачков распределительного вала, коромысла, плоскости толкателей и торцов клапана двигателя. По причине нарушения фаз газораспределения уменьшается мощность двигателя. Возрастает износ большого количества сопутствующих деталей. В итоге начинается цепная реакция, целые детали выходят из строя, как результат, изнашивание связанных с ними других деталей.

В случае отклонения теплового зазора в сторону увеличения, происходит постоянная ударная нагрузка на клапаны двигателя, что снижает их срок службы. Торец скалывается, это приводит к постепенному увеличению зазора, повышается шумность. Наполняемость цилиндров топливовоздушной смесью и эффективность сгорания снижается, из-за этого происходит нарушение фаз газораспределения, в результате уменьшается мощность.

При меньшем тепловом зазоре, нарушается герметичность камеры сгорания, так как клапаны не закрывают её должным образом. Это приводит к уменьшению компрессии, в момент такта сжатия, некоторый объём поступившей топливовоздушной смеси выбрасывается сквозь щели между клапаном и седлом. На рабочем ходу раскалённые отработанные газы также выбрасываются и приводят к тому, что клапаны прогорают. Из-за того, что тарелки клапанов не соприкасаются с сёдлами, происходит нарушение процесса теплоотдачи, в результате клапан двигателя нагревается до температур, при которых возрастает износ (окисление, коррозия), вероятность заклинивания в направляющей втулке или доведение её до более скорого износа, обрыв тарелки, увеличение нагрузки на ремень ГРМ.

• Впускные клапаны в основном охлаждаются свежей поступающей топливовоздушной смесью и обладают лучшим уровнем охлаждения.
• Выпускные основную составляющую тепла переносят на седло клапана. Если тепловой зазор отсутствует (происходит зависание или зажатие), высокая температура приводит к разрушению клапана и направляющей втулки.

Необходимость регулировки определяют в первую очередь по графику ТО и ТР, установленного производителем. Эта информация содержится в мануалах по данному автомобилю, двигателю. Возникает необходимость регулировки и в случае внепланового ремонта и при другом удобном случае.

Тепловой зазор нужно проконтролировать в случае обнаружения следующих нарушений: уменьшение мощности, наличие постороннего шума (шелест, звон), низкая компрессия, увеличение расхода топлива или масла, прострелы в глушитель или впускной коллектор, по сигналу Сheck богатая бедная смесь, отклонение в состоянии свечей зажигания. И один из указанных симптомов, и совокупность нескольких, может указывать на неполадки в работе газораспределительного механизма или других узлов.

Чтобы подготовиться к работе, следует определить тип клапанного механизма, выяснить какие инструменты или приспособления понадобятся, возможно, потребуются запасные части,

Вид подходящего инструмента зависит от того, какой непосредственно клапанный механизм придётся разбирать. Наиболее важным будет набор щупов, ведь им будет проводиться замер. Также могут понадобиться специальные плашки в форме шестигранников или звёздочек, различные отвёртки и головки, чтобы открутить и снять крышку, добраться до механизма газораспределения. В некоторых двигателях можно снять впускной коллектор, дроссельную заслонку, интеркуллер. После их демонтажа нередко портятся уплотнительные прокладки и возникает необходимость их замены. Поэтому, лучше изучить инструкцию по конкретной модели, ведь в интернете не составит труда её найти.

Заранее подготовьте запасные части. Ведь когда придётся собирать всё в первоначальное состояние, могут понадобиться и прокладки, и герметик, и уплотнительные резинки. Участки для нанесения герметика обязательно обезжириваем. Разумеется, лучше всего для этого подходит ацетон. Аккуратно удаляйте старые прокладки, не повредите поверхность. Оптимально использовать с этой целью средство для удаления прокладок: и время сэкономит, и терпение. Конечно же, прежде чем купить, ознакомьтесь с инструкцией на баллончике.

Двигатель, на котором планируется проводить регулирование, должен быть холодным, 20°- 30°С. Начинается процесс с выставления распределительных валов по метками положения верхней мёртвой точки поршня в такте сжатия. В этом случае на проверяемых цилиндрах клапаны будут полностью закрыты и щупом, который располагают между колпачком и толкателем определяют замер. В другой ситуации щуп располагают между коромыслом и торцом клапана двигателя. Затем следует зафиксировать на бумаге все показания, для удобства можно нарисовать головку и клапаны, подписав под каждым из них соответствующее значение. Так будет проще представить картину в целом, оценить общее состояние и при необходимости рассчитать регулировочные шайбы (если они применены). Когда замер выполнен, можно приступать к регулировке: подкручивать винты или заменять шайбы.

Материалы: http://www.calc.ru/Klapana-Dvigatelya.html