Роль клапанов двигателя, для чего они нужны?
Когда мы запускаем автомобиль, мы обычно не осознаем многочисленных механических процессов, которые должны происходить, чтобы двигатель работал. Они даются благодаря общению и совместной работе бесчисленных частей и движущихся частей, которые работают синхронно. Одним из таких элементов является клапаны двигателя потому что без них невозможно было бы получить необходимую энергию от двигателя.
Индекс
- 1 Что такое клапаны двигателя?
- 2 Какова реальная функция клапанов в двигателе?
- 3 Где в двигателе расположены клапана?
- 4 Все клапаны двигателя одинаковые?
- 5 Что произойдет, если клапан поврежден?
- 6 Короче
- 7 Отличия выпускных и впускных клапанов
Что такое клапаны двигателя?
Клапаны двигателя – это металлические элементы, обеспечивающие доступ к камеры сгорания топливно-воздушной смеси и выход из нее газов производится его взрывом.
Без этих механических элементов работа двигателя была бы невозможна, поскольку его движение жизненно важно для производства энергии, необходимой для движения колес.
Конструктивно клапан состоит из длинная часть, называемая втулкой или хвостовой частью клапана (обычно шток) и другая верхняя часть, называемая головкой (тарелка или головка клапана). Для его изготовления используются легированные материалы, так как в рабочем цикле они должны выдерживать высокие температуры (до 1000º по Цельсию).
Подпишитесь на наш Youtube-канал
Какова реальная функция клапанов в двигателе?
Фактическая функция очень проста и проста. Они отвечают за управлять подачей топлива и воздуха (топливно-воздушной смеси) в цилиндр. После взрыва смеси на компрессия поршня Именно они обеспечивают выход газов, образующихся в результате этого взрыва.
Где в двигателе расположены клапана?
технически расположены на головке блока цилиндров (обычно известный как прикладом).
Все клапаны двигателя одинаковые?
Нет, ответ — нет. Впускной клапан (куда входит смесь) больше выпускного клапана (куда выходят газы). Причина такого разного размера связана с условиями, в которых происходят впуск и выпуск. Давление, при котором поступает смесь, похоже на то, которое существует в атмосфере, поэтому для облегчения процесса ее размер больше.
Наоборот, когда смесь уже взорвалась, газы находятся под более высоким давлением, поэтому нет необходимости, чтобы их размер был таким большим. Кроме того, также есть разница в материалах, из которых они изготовлены. Впускной клапан выдерживает около 200 градусов по Цельсию, а выпускной клапан около 700 градусов по Цельсию, поэтому его компоненты более устойчивы, чем компоненты первого.
Наконец, чтобы правильно отличить один тип клапана от другого, нам нужно только посмотрите на размер вашей головы и ее форму. Мы знаем, что впускные имеют большую головку, но она также плоская с лицевой стороны, однако выхлопные, кроме того, что имеют меньшую головку, имеют более коническую форму с лицевой стороны.
Теме статьи:
впускной коллектор и выпускной коллектор
Что произойдет, если клапан поврежден?
Если клапан сломается, первое, что произойдет, это то, что взрыв или выброс газов не будет происходить правильно. Это связано с тем, что из-за неправильного прилегания клапана к крышке двигателя газы будут просачиваться и, следовательно, возникнет компрессионный и тепловой дисбаланс, что приведет к серьезной поломке.
Основная проблема, с которой приходится сталкиваться клапанам, это их слабое охлаждение или его отсутствие, потому что при хорошей смазке двигателя риск выхода из строя отсутствует. Устранение неисправности этого типа имеет переменную стоимость, поскольку она будет зависеть от того, как они вышли из строя, и повреждения, которые произошли в двигателе.
Стоимость единицы клапана очень низкая, так как его изготовление обходится дешево, однако конечная цифра будет варьироваться в зависимости от типа клапана и обнаруженной проблемы.
Теме статьи:
Потеря мощности автомобиля: причины и решения
Короче
Клапаны представляют собой элементы, выполняющие простую функцию закрытия и открытия клапана. впускные и выпускные каналы газов, выполняющих основную функцию при сгорании топливовоздушная смесь.
В настоящее время наиболее распространенными клапанами являются так называемые «пластинчатые», что обусловлено их форма перевернутой пластины в его жизненно важной части, то есть той, которая открывает и закрывает протоки.
От центра же начинается так называемый «шип», а цилиндрическое удлинение, перемещающее клапан, хотя «неофициальное» наименование голова к тарелке клапана и Кола к шипу
Они изготавливаются литыми и обрабатываются из специальных сталей, потому что требуется выдерживать высокие температуры которых достигают газы во время их работы.
Отличия выпускных и впускных клапанов
Лас- разница температур между выхлопом и впуском позволяют использовать специальные сплавы в выпускных клапанах (которые выдерживают 1000 градусов по Цельсию)
Помимо того, что эти клапаны довольно дешевы в производстве, они позволяют небольшая прогулочная зона, меньшее трение и подходящая форма для правильный расход газа.
Единственный недостаток, который у них есть, это мало или нет охлаждения что они представляют.
Изображения – Анри Бергиус, Мирко Юнге, lw5315us
Клапанный механизм
Краткий обзор типов клапанного механизма
Воздух и топливо входят в камеру сгорания, а отработавшие газы покидают ее через порты клапанов. Клапаны, расположенные в портах камеры сгорания, открываются и закрываются, позволяя обеспечивать прохождение воздушно-топливной смеси/отработавших газов или герметизировать камеру сгорания.
Для правильной работы двигателя клапаны должны открываться и закрываться в правильные моменты времени. Фазы газораспределения (моменты открывания или закрывания клапанов) задаются распределительным валом, воздействующим на клапанный механизм.
В автомобильных двигателях используются два основных типа клапанного механизма. Это — клапанный механизм с верхним расположением клапанов (OHV) и клапанный механизм с верхним расположением распределительного вала (ОНС).
Клапанный механизм со штангами толкателей (OHV)
Двигатели со штангами толкателей, также известные как двигатели с верхним расположением клапанов (OHV), имеют один распределительный вал, расположенный в блоке цилиндров. Клапаны располагаются в головке цилиндров над камерой сгорания. Клапаны открываются и закрываются в результате воздействия кулачков распределительного вала на толкатели, штанги толкателей и клапанные рычаги («коромысла»).
Основные элементы клапанного механизма OHV — это:
• Головка цилиндров
• Клапаны
• Направляющие втулки клапанов
• Клапанные пружины
• Распределительный вал
• Штанги толкателей
• Толкатели
• Клапанные рычаги
• Привод распределительного вала
• Привод клапана с верхним расположением
Двигатели имеют каналы, которые пропускают воздушно-топливную смесь в цилиндры и выпускают отработавшие газы, образующиеся после сгорания смеси.
Эти каналы, называемые портами клапанов, очень плотно герметизируются на протяжении четырехтактного цикла. Клапаны должны открывать и закрывать порты в точные моменты времени.
Когда распределительный вал вращается, кулачок воздействует на толкатель. Толкатель нажимает на штангу толкателя, которая толкает вверх один из концов клапанного рычага. Другой конец клапанного рычага надавливает на шток клапана и заставляет клапан преодолевать усилие пружины и открываться. После того как кулачок проходит толкатель, клапанная пружина воздействует на клапан, и далее на клапанный рычаг, штангу толкателя и толкатель. Когда кулачок поворачивается достаточно далеко, клапан плотно закрывается в седле клапана.
Привод распределительного вала с верхним расположением
Чтобы приводить в движение распределительный вал (ы), шкив или звездочка на конце коленчатого вала приводит в движение ремень или цепь газораспределительного механизма, который (ая), в свою очередь, приводит во вращение шкив (ы) или звездочку (и) распределительного вала (ов).
Шкивы или звездочки распределительных валов, имеющие кинематическую связь с цепью или ремнем, затем приводят во вращение каждый распределительный вал. Шкив зубчатого ремня газораспределительного механизма, расположенный на коленчатом вале, имеет количество зубьев, равное половине количества зубьев на шкивах распределительных валов, поэтому распределительные валы совершают один оборот на каждые два оборота коленчатого вала. Привод распределительного вала типа ОНС также включает в себя натяжной шкив (натяжитель) и пружину натяжителя или гидравлический автоматический натяжитель, которые обеспечивают натяжение цепи или ремня газораспределительного механизма и фазы газораспределения клапанов.
Головка цилиндров для клапанного механизма со штангами толкателей (OHV)
Головка цилиндров крепится болтами сверху на блоке цилиндров и образует «крышу» камеры сгорания. Головка цилиндров:
• уплотняет верхние зоны цилиндров.
• размещает свечи зажигания.
• размещает седла клапанов, направляющие втулки клапанов и порты для впускных и выпускных клапанов.
• размещает клапанный механизм.
• имеет опорные поверхности для установки впускного и выпускного коллекторов.
Как и блок цилиндров, головка цилиндров изготавливается из чугуна или алюминиевого сплава. Впускной и выпускной коллекторы крепятся к головке цилиндров напротив портов клапанов. Большинство двигателей V-6 или V-8 имеют по две головки цилиндров — по одной для каждого ряда цилиндров. Верхняя часть головки цилиндров изготавливается таким образом, чтобы на ней можно было установить клапанные рычаги или другие элементы клапанного механизма.
Клапанный механизм с верхним расположением клапанов
В двигателе OHV, в котором распределительный вал устанавливается ниже клапанов в блоке цилиндров, для приведения в движение цепи газораспределительного механизма, которая вращает звездочку распределительного вала, используется звездочка коленчатого вала.
Штанги толкателей
В двигателе OHV штанги толкателей передают движение на подъем от распределительного вала и толкателей к клапанам. Штанги толкателей изготавливаются из жесткой стальной трубы и имеют на концах чашеобразные или шаровые головки. На некоторых двигателях используются штанги толкателей с изменяющейся длиной, что позволяет обеспечить первичную регулировку зазора с помощью гидравлических толкателей.
Клапанный механизм OHC
Клапанный механизм ОНС использует один или несколько распределительных валов, установленных прямо на головке цилиндров над клапанами. Моменты открывания и закрывания клапанов задаются кулачками распределительного вала (валов).
Привод распределительного вала
В двигателях ОНС распределительный вал(ы) располагается в головке цилиндров. Преимущества верхнего распределительного вала заключаются в следующем:
• Меньшее количество элементов в клапанном механизме
• Более высокая точность и прямой привод клапанов
• Уменьшение потерь на трение
Один распределительный вал с верхним расположением (SOHC)
Двигатели SOHC обычно имеют по два клапана на цилиндр.
В двигателях SOHC используются толкатели роликового типа, которые располагаются под распределительным валом, или клапанные рычаги, которые находятся над распределительным валом.
Два распределительных вала с верхним расположением (DOHC)
В двигателе DOHC работа по открыванию клапанов распределяется между двумя распределительными валами. В двигателях DOHC обычно имеется по четыре клапана на цилиндр. Большее количество клапанов на цилиндр позволяет более эффективно впускать воздушно-топливную смесь на ходе впуска и выпускать отработавшие газы на ходе выпуска.
В двигателях DOHC для воздействия на клапаны используются или толкатели роликового типа или механические толкатели прямого действия.
Толкатели клапанов при верхнем расположении распределительного вала (ОНС)
Английский термин «cam follower» — это другой термин для обозначения механического толкателя клапана («mechanical lifter»).
Жесткие толкатели клапанов, так называемого, «поршневого типа», используемые в двигателях ОНС и DOHC, предлагают способ корректировки клапанного зазора. Регулировочные прокладки различной толщины позволяют изменять зазор между распределительным валом и толкателем.
Гидравлические компенсаторы клапанных зазоров при верхнем расположении распределительного вала (ОНС)
Гидравлический компенсатор клапанного зазора -это вариант гидравлического толкателя для двигателя ОНС. На многих двигателях ОНС клапанные зазоры регулируются автоматически гидравлическими компенсаторами клапанных зазоров. Гидравлические компенсаторы клапанных зазоров устраняют потребность в ручной регулировке клапанов. Гидравлический компенсатор клапанного зазора «поршневого типа» располагается между верхушкой штока клапана и распределительным валом.
Комбинированный ременно-цепной привод
Другой тип привода DOHC — это комбинация ременного и цепного привода. В этой конструкции ремень газораспределительного механизма приводит в движение впускной распределительный вал, а цепь газораспределительного механизма -выпускной распределительный вал. Главное преимущество этой конструкции заключается в том, что она позволяет клапанам располагаться под более вертикальным углом. Этот угол обеспечивает увеличение эффективности сгорания, улучшение экономии топлива и более низкую токсичность выхлопа.
Комбинированный ременно-зубчатый привод
В этой компоновке с двумя распределительными валами с верхним расположением (DOHC) ремень и шкив используются для привода от коленчатого вала только одного распределительного вала.
Второй распределительный вал приводится в движение от первого посредством зубчатой передачи с косыми зубьями. Одно из косозубых зубчатых колес имеет на один зуб больше, чем другое. Зубчатое колесо с дополнительным зубом называется фрикционным зубчатым колесом, потому что оно обеспечивает плотный контакт между зубчатыми колесами. Это заедание уменьшает уровень шума в шестернях и клапанном механизме в процессе работы.
Регулируемое газораспределение
В некоторых двигателях DOHC используется регулируемое газораспределение (VCT). Аналогичная система известна и под аббревиатурой WT. В любой из этих систем гидравлическое исполнительное устройство изменяет фазы газораспределения клапанов, т.е. моменты открывания и закрывания клапанов. Газораспределение изменяется в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя и позволяет улучшить характеристики двигателя.
Общие понятия
Привод распределительного вала
Задача газораспределительного механизма заключается в координации впуска воздушно-топливной смеси и выталкивания отработавших газов при возвратно-поступательном перемещении поршня.
Это выполняется посредством синхронизации вращения коленчатого вала с распределительным валом (ами). Т.к. коленчатый вал выполняет два оборота на каждый цикл сгорания, а распределительный вал делает только один оборот, передаточное число всегда должно быть равно 2:1. Моменты открывания и закрывания клапанов обозначаются в градусах поворота коленчатого вала. Имеются различные варианты привода распределительного вала. В качестве привода клапанного механизма (а точнее, распределительного вала) могут использоваться:
• Зубчатые колеса
• Цепь
• Ремень
Прокладка головки цилиндров
Прокладка головки цилиндров обеспечивает газо- и водонепроницаемость стыка между головкой цилиндров и блоком цилиндров. Кроме того, прокладка головки цилиндров компенсирует любые незначительные неровности, имеющиеся на сопрягаемых поверхностях. По этой причине прокладка головки цилиндров должна изготавливаться из достаточно податливого материала.
Болты головки цилиндров
Болты крепления головки цилиндров надежно фиксируют головку цилиндров относительно блока цилиндров. Имеются два типа болтов крепления головки цилиндров: обычные и «с затяжкой до предела текучести». Обычные болты затягиваются поэтапно с использованием динамометрического ключа с постепенным увеличением момента затяжки. Болты с затяжкой до предела текучести также затягиваются с последовательным постепенным увеличением момента затяжки. Однако, заключительная стадия — это затяжка болтов на заданный угол, используя угломер. На этой заключительной стадии резьба слегка деформируется, что способствует созданию большей «несущей способности» болта. Вследствие деформирования резьбы болтов крепления головки цилиндров в процессе затягивания, болты с затяжкой до предела текучести можно повторно использовать только в том случае, когда это разрешено изготовителем автомобиля.
Клапаны
Клапан имеет круглую головку с конической поверхностью (фаской), которая уплотняется в седле в головке цилиндров.
Вследствие конструкции клапана, имеющей шток и головку, такой клапан иногда называется тарельчатым клапаном.
Головка клапана — это больший по диаметру конец клапана, который герметизирует порт клапана. Поверхность головки цилиндров, относительно которой клапан обеспечивает уплотнение, называется седлом клапана. Головка клапана имеет механически обработанную поверхность, называемую посадочной фаской или рабочей (уплотняющей) поверхностью клапана. Посадочная фаска клапана — это место контакта между клапаном и седлом клапана. И посадочная фаска клапана и седло клапана должны быть механически обработаны таким образом, чтобы образовать герметичное уплотнение при закрытом положении клапана. Полный контакт между клапаном и седлом клапана необходим для того, чтобы отводить тепло от рабочей поверхности клапана в головку цилиндров. «Стойкость клапана» определяется толщиной головки клапана.
Седло клапана
Седло клапана — это зона контакта головки цилиндров с посадочной фаской клапана, когда клапан находится в закрытом положении.
Седла имеются и у впускных и у выпускных клапанов. Зона седла клапана должна быть достаточно твердой, чтобы постоянно противостоять ударам, т.к. клапан открывается и закрывается достаточно быстро. Седло также должно быть способно обеспечивать теплопередачу, чтобы клапан не перегревался и не деформировался. Поскольку отработавшие газы коррозионно агрессивны, седла выпускных клапанов должны быть устойчивыми к воздействию коррозии. Вставное седло клапана запрессовывается в головку цилиндров. Эта вставка изготавливается из материала, отличного от материала головки цилиндров и имеющего необходимую твердость, тепловые и противокоррозионные свойства.
Шток клапана
Шток клапана — это длинная, узкая часть, расположенная над головкой. Шток клапана имеет канавку на конце, которая используется для закрепления клапана в головке цилиндров посредством сухарей. На конце штока клапана устанавливается клапанная пружина. Пружина сжимается в требуемом положении на штоке клапана посредством того, что снизу она опирается на поверхность гнезда пружины в головке цилиндров, а сверху фиксируется в требуемом положении на верхней части штока клапана посредством тарелки и сухарей.
Тарелка и сухари удерживаются в требуемом положении постоянным давлением на них со стороны пружины и фиксируются в канавке штока клапана, таким образом обеспечивая постоянное стремление клапана в закрытое положение. Шток клапана проходит через направляющую втулку клапана, которая также удерживает клапан в требуемом положении в головке цилиндров.
Направляющие втулки клапанов
Направляющие втулки клапанов обеспечивают точность посадки клапанов в головке цилиндров. Они позволяют штокам клапанов проходить через камеру сгорания к верхней зоне головки цилиндров, в которой устанавливаются клапанные пружины. Некоторые направляющие втулки клапанов являются неотъемлемой частью отливки головки цилиндров. Другие направляющие втулки клапанов представляют собой вставки из «мягкого» сплава, которые изготавливаются отдельно и затем запрессовываются в головку цилиндров. Радиальный зазор между направляющей втулкой клапана и штоком клапана минимален.
Он точно рассчитывается только для обеспечения достаточного пространства для смазки и свободного возвратно-поступательного перемещения штока.
Конструкции, в которых на один цилиндр приходится три или четыре клапана, используются потому, что «многоклапанная» схема более точна и эффективна. В трех клапанной конструкции обычно используются два клапана для впуска и один клапан для выпуска. В четырех-клапанной конструкции используются по два клапана для впуска и выпуска.
Клапанный зазор
Когда клапан перемещается в закрытое положение, он должен плотно сесть в седле клапана. Чтобы выполнить это, не должно быть никакого давления на шток клапана. На некоторых двигателях создается небольшое пространство между кончиком штока клапана и приводом (клапанным рычагом, толкателем, гидравлическим толкателем). Это пространство называется клапанным зазором. Клапанный зазор должен быть точно отрегулирован, чтобы избежать повышенного шума и обеспечить надежную работу.
Если клапанный зазор слишком велик, двигатель работает шумно. Если клапанный зазор отсутствует, клапан не способен плотно сесть в седле клапана. Отработавшие газы смогут проходить через седло клапана и в конечном счете прожечь отверстие в клапане в месте протечки. В некоторых двигателях клапанный зазор поддерживается механическими мерами, такими как установка регулировочной прокладки.
Конструкции с механической регулировкой зазора могут требовать периодических регулировок. В некоторых двигателях клапанный зазор поддерживается автоматически посредством гидравлических устройств. Гидравлическое устройство (толкатели различной конструкции) удлиняется под воздействием гидравлического давления масла, что позволяет обеспечить постоянный контакт с кончиком штока клапана. При закрывании клапана давление масла сбрасывается, позволяя клапану плотно сесть в седло клапана (закрыться).
Клапанные пружины
Клапанная пружина отвечает за плотность посадки клапана в седле клапана при закрытии клапана.
Пружина устанавливается в верхней зоне головки цилиндров вокруг штока клапана. Верхние и нижние тарелки предотвращают износ пружины и удерживают ее на месте. Сухари клапана, устанавливаемые в верхнюю тарелку пружины, фиксируются в канавке штока клапана и удерживают все перечисленные элементы в требуемом положении.
Усилие пружины
Клапанная пружина должна быть способна создавать усилие, достаточное, чтобы удерживать клапан в седле клапана плотно закрытым. Кроме того, клапанные пружины должны удерживать все элементы клапанного механизма в контакте друг с другом, т.к. двигатель работает с высокой частотой вращения. В то же самое время, клапанная пружина не должна создавать слишком большое усилие, т.к. это вызовет преждевременный износ элементов. Поэтому клапанные пружины рассчитываются на создание вполне определенного усилия, отвечающего конкретной конструкции двигателя.
Рабочая высота пружины
Рабочая высота — это длина пружины, когда она установлена в головку цилиндров, а клапан полностью закрыт.
Распределительный вал
Распределительный вал управляет фазами газораспределения клапанов (моментами открывания и закрывания клапанов). Распределительный вал приводится в движение коленчатым валом посредством зубчатой передачи, цепного или ременного привода. Распределительный вал вращается с частотой вращения, равной половине частоты вращения коленчатого вала, что позволяет обеспечивать правильное газораспределение в четырех тактах сгорания. Открывание и закрывание клапанов выполняется кулачками, расположенными на распределительном вале. Каждому клапану двигателя, независимо от конструкции последнего, соответствует свой собственный кулачок на распределительном вале. В зависимости от конструкции двигателя в нем может иметься только один или несколько распределительных валов.
Подъем клапана
Высота подъема клапана — это расстояние, на которое приподнимается клапан над седлом клапана при полном открывании клапана.
Высота подъема клапана задается высотой кулачка и конструкцией клапанного механизма. Клапан должен приподниматься настолько, чтобы позволить воздушно-топливной смеси свободно входить в цилиндр, а отработавшим газам свободно вытекать из цилиндра, и при этом клапан не должен сталкиваться с поршнем, а пружина не должна заедать.
Продолжительность открытого состояния клапана
Продолжительность открытого состояния клапана -это отрезок времени, в течение которого кулачок распределительного вала удерживает клапан открытым. Продолжительность измеряется в градусах поворота распределительного вала и задается формой кулачка. Изменение продолжительности воздействует на рабочие характеристики двигателя, определяя, какой крутящий момент и мощность генерируются при данной частоте вращения коленчатого вала двигателя.
Перекрытие клапанов
Перекрытие клапанов -это состояние, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно.
Перекрытие клапанов обычно имеет место в последней части хода выпуска четырехтактного цикла. Чтобы обеспечить хорошее прохождение воздушного потока в цилиндр на ходе впуска, впускной клапан должен начать открываться раньше, чем закончится ход выпуска.
Перекрытие клапанов задается расположением кулачков на распределительном вале. Перекрытие клапанов измеряется в градусах поворота распределительного вала. Изменение перекрытия клапанов оказывает влияние на рабочие характеристики двигателя.
Клапанные рычаги
Клапанный рычаг передает движение от штанги толкателя или распределительного вала к клапану, полностью изменяя направление перемещения. Ось для клапанного рычага проходит через сам рычаг (высверливается отверстие для оси), поэтому клапанный рычаг может качаться на оси такого клапанного рычага.
Толкатели клапанов
Толкатели клапанов передают движение подъема от кулачков к штокам клапанов.
Толкатель предохраняет шток клапана от бокового давления. Толкатели могут быть жесткими или иметь гидравлический привод. Кроме того, толкатели могут иметь или плоскую контактную поверхность или роликовый механизм, позволяющий уменьшить трение.
Жесткий толкатель клапана
Жесткий толкатель клапана передает движение от кулачка к клапану. Жесткий толкатель — это цельный элемент, не имеющий никаких движущихся частей. Двигатели, оснащенные жесткими толкателями, требуют выполнения периодических регулировок, позволяющих уменьшить износ клапанного механизма и устранить шум.
Гидравлические толкатели клапанов
Гидравлические толкатели не только передают движение, но также могут компенсировать изменения величины клапанного зазора. Гидравлический толкатель — это гидравлический цилиндр, который регулирует величину клапанного зазора, используя давление моторного масла и усилие, создаваемое внутренней пружиной.
Роликовые толкатели и толкатели с плоской рабочей поверхностью
Распределительный вал, воздействуя на плоскую поверхность толкателя, создает трение. Чтобы уменьшить трение, некоторые толкатели имеют ролик, встроенный в зону контактной поверхности толкателя. Распределительный вал контактирует с роликом, а не с плоской поверхностью (причиной трения). Клапанный рычаг с роликом аналогичен клапанному рычагу и имеет то же самое преимущество, что и роликовый толкатель. Один конец клапанного рычага с роликом подпирается толкателем, который управляет регулировкой зазора. Другой конец клапанного рычага с роликом воздействует на клапан по мере того, как распределительный вал «наезжает» на ролик.
Гидравлические компенсаоры клапанных зазоров, установленные в клапанных рычагах
Гидравлические компенсаторы клапанных зазоров, установленные в клапанных рычагах, во многом работают подобно гидравлическому компенсатору зазора «поршневого типа», за исключением того, что они находятся в контакте с клапанными рычагами, а не с распределительным валом.
Гидравлический компенсатор зазора, установленный в клапанном рычаге, не имеет корпуса регулятора, но шариковый клапан, плунжер и внутренний корпус работают также, как и в гидравлическом компенсаторе зазора «поршневого типа», что позволяет поддерживать нулевой клапанный зазор.
Клапаны и седла — журнал изготовителей двигателей
Клапаны и седла в двигателе внутреннего сгорания играют центральную роль в дыхании двигателя, сжатии, производительности и долговечности. Неважно, имеет ли двигатель два, три, четыре или даже пять клапанов на цилиндр, бензиновый или дизельный двигатель, потому что все клапаны делают одно и то же: они открываются и закрываются, чтобы воздух поступал в цилиндры, а выхлопные газы поступали в цилиндры. выйти из цилиндров. Когда клапаны закрыты, они должны плотно закрываться, чтобы предотвратить потерю компрессии, в противном случае двигатель даст пропуски зажигания и потеряет мощность. Несмотря на то, что основная задача относительно проста, влияние клапанов и седел на компрессию, мощность, экономию топлива и выбросы огромно.
Негерметичный компрессионный клапан может привести к значительному падению мощности – до 25 процентов в четырехцилиндровом двигателе! Неважно, вызвана ли компрессионная утечка погнутым, изношенным, эродированным или треснутым клапаном, или если поверхность или седло клапана не концентричны или имеют овальную форму, конечный результат остается тем же.
Таких проблем можно избежать, тщательно проверяя все клапаны перед их повторным использованием при капитальном ремонте двигателя. Искушение состоит в том, чтобы сэкономить деньги, повторно используя и восстанавливая как можно больше оригинальных клапанов. Клапаны, которые погнуты, треснуты, эродированы или имеют чрезмерный износ штока, очевидно, должны быть заменены.
Новые клапаны доступны из различных источников. Придерживайтесь поставщика с торговой маркой, который имеет репутацию качества и постоянства. Некоторые дешевые морские клапаны не являются надежными продуктами из-за сомнительной металлургии, точности размеров или обработки штока.
Тот факт, что клапан выглядит хорошо, не означает, что он такой же, как OEM-клапан или качественный клапан послепродажного обслуживания.
Восстановленные клапаны могут быть экономичной альтернативой новым клапанам, если стоимость является проблемой, особенно в дизельных двигателях. Изношенные штоки клапанов можно повторно хромировать, чтобы восстановить стандартные размеры, или хромирование можно нарастить до увеличенного размера, чтобы изношенные направляющие клапанов можно было развернуть для установки штоков клапанов увеличенного размера.
Износ штока клапана очень распространен в двигателях с большим пробегом, независимо от того, бензиновые они или дизельные. Заводское хромовое покрытие на многих стержнях клапанов не очень толстое, всего около 7 микрон, поэтому не требуется большого износа, чтобы стереть хромовое покрытие. Штоки также могут иметь лепестковый рисунок износа в зависимости от того, насколько большую боковую тягу они испытывают внутри двигателя. Слишком большой зазор между штоком и направляющей не годится, потому что он позволяет клапану колебаться каждый раз, когда он открывается и закрывается.
Это, в свою очередь, может привести к изгибу головки клапана при закрытии седла. Со временем постоянное изгибание может привести к усталости металла, растрескиванию и выходу клапана из строя.
Обработка штока важна для клапана, так как влияет на трение и износ. Гладкий обычно лучше. Хромирование — хороший материал с точки зрения износостойкости, как и многие новые «высокотехнологичные» покрытия PVD, DLC и покрытия на основе молибдена.
Одна из новых технологий, которую мы видели, — это отделка штока с небольшими волнистыми канавками, нанесенными на поверхность с полимерным наполнителем для удержания масла. Говорят, что отделка «змеиная кожа» снижает трение, повышая износостойкость без изменения допусков штока.
Предотвращение проблем с клапанами
Причиной отказов, связанных с клапанами, часто являются такие факторы, как детонация, низкое качество или дефекты деталей, превышение оборотов двигателя, неспособность конечного пользователя отрегулировать или поддерживать надлежащий зазор клапанов и т.
д. Многие из этих вещей могут способствовать или даже вызывать отказы клапанов, но то же самое может быть и с небрежными допусками на обработку.
Концентричность седла клапана по отношению к направляющей клапана и клапану необходима для правильного выравнивания и плотного компрессионного уплотнения. Для точной доводки седла требуется станок для клапана и седла, который находится в хорошем состоянии и может выдерживать жесткие допуски. Вы не можете иметь отстой в пару тысячных дюйма и ожидать, что клапаны будут плотно закрываться. Зазор между пилотом и направляющей должен быть не более 0,0002 дюйма для точной обработки. Один из способов добиться этого — использовать смазку высокого давления на пилоте.
Резак для сиденья также должен быть острым и вращаться с достаточно высокой скоростью, чтобы обеспечить высококачественную отделку сиденья. Если во время резки седла возникает вибрация, проблема может заключаться в слишком большом зазоре между пилотом и направляющей клапана, скорости фрезы или в том, что станок не выровнен.
Использование охлаждающей жидкости при резке жестких седел уменьшит вибрацию.
Насколько хорошо сопрягаются клапаны и седла после их механической обработки, можно легко проверить с помощью ручного насоса, создающего вакуум на каждом из портов головки с установленными клапанами. Если есть полный контакт между поверхностью клапана и седлом, порт должен удерживать вакуум. Если вы не можете создать вакуум на порте, клапан и седло не концентричны или не имеют полного контакта по всему периметру. Вам нужно исправить проблему до того, как головка или двигатель выйдут из строя. Ручная притирка клапанов к седлам может помочь улучшить краевое уплотнение, но в этом нет необходимости, если клапаны и седла изначально были обработаны аккуратно.
Некоторые заводы по ремонту серийных двигателей, а также сборщики нестандартных характеристик используют машину Spintron для проверки компрессии и работы клапанного механизма в только что собранном двигателе. Spintron использует электродвигатель для вращения двигателя, как если бы он работал.
Число оборотов в минуту можно варьировать по мере необходимости вплоть до красной линии. Программное обеспечение и контрольно-измерительные приборы Spintron отслеживают, что происходит с клапанным механизмом, поэтому любые проблемы, которые могут повлиять на надежность или производительность двигателя, могут быть обнаружены и устранены до того, как он покинет цех.
Типы клапанов и материалы
Для серийных бензиновых двигателей в качестве клапанов оригинального оборудования обычно используется какой-либо тип одно- или двухкомпонентного сплава из нержавеющей стали. К ним относятся впускные клапаны из низколегированного сплава NV и высоколегированного сплава HNV, аустенитные выпускные клапаны EV и высокопрочный сплав выпускного клапана HEV. Выпускной клапан должен выдерживать гораздо более высокие температуры, чем впускные, поэтому они обычно изготавливаются из более прочного жаропрочного сплава.
Большинство клапанов вторичного рынка изготовлены из нержавеющих сплавов 21-2N или 21-4N, хотя некоторые поставщики также предлагают клапан из сплава 23-8N или свой собственный сплав для высокотемпературных выпускных клапанов. Специфика некоторых из этих сплавов держится в секрете, но мы можем сказать вам, что нержавеющая сталь 21-2N содержит 21% хрома и 2% никеля. 21-4N имеет такое же содержание хрома, но содержит почти в два раза больше никеля (3,75%) для большей термостойкости. 23-8N содержит 23% хрома и 8% никеля. Чем выше содержание никеля, тем дороже сплав и тем больше тепла он может безопасно выдержать в сложных гоночных условиях. Клапаны из 21-4N могут выдерживать температуры до 1600 градусов по Фаренгейту.
Для более требовательных применений (двигатели с закисью азота, турбокомпрессоры или нагнетатели) можно использовать высокотемпературный суперсплав, такой как Inconel 751 или Nimonic 80A. Inconel включает в себя ряд жаропрочных сплавов, которые обычно содержат 15–16 % хрома и 2,4–3,0 % титана.
Один поставщик головок блока цилиндров послепродажного обслуживания сообщил нам, что они используют впускные и выпускные клапаны 21-4N во всех своих головках цилиндров, от уличных до полноразмерных гоночных головок. «Клапаны имеют гладкую поверхность с хромированными штоками и используются с седлами клапанов из ковкого чугуна. Мы не заметили проблем с долговечностью клапана при использовании этих деталей, но мы предлагаем модернизацию, если покупателю нужны выпускные клапаны из инконеля или легкие титановые клапаны (для которых также требуются медные седла клапанов)».
Титановые клапаны являются дорогой альтернативой клапанам из нержавеющей стали, но являются одним из лучших усовершенствований, которые кто-либо может сделать для обеспечения стабильности и производительности клапанного механизма при высоких оборотах. Титан уменьшает массу клапана почти на 40 процентов, что означает, что вы можете использовать гораздо меньшее давление пружины при той же частоте вращения двигателя или большее число оборотов в минуту, используя те же пружины, что и раньше.
Уменьшение веса клапанов увеличивает срок службы пружины и снижает нагрузку на коромысла, толкатели, толкатели, кулачок и кулачковый привод.
Насколько прочны титановые клапаны? Они используются в некоторых серийных двигателях, таких как Corvette Z06 и ZR1, поэтому нет никаких сомнений в способности выдерживать длительные дорожные или гоночные условия. Для повышения износостойкости титановые клапаны могут быть покрыты различными материалами, включая желтый нитрид титана (TiN), молибден или нитрид хрома. Покрытия уменьшают трение, помогают рассеивать тепло и улучшают твердость поверхности и износостойкость клапана.
Титановые клапаны, как правило, удерживают больше тепла, чем клапаны из нержавеющей стали, поэтому их седла необходимо заменить на какой-либо тип медного сплава. Медь обеспечивает хорошую теплопроводность, отводя тепло от клапана, когда клапан закрыт. В течение многих лет с титановыми клапанами использовались седла из медно-бериллиевого сплава. Медно-бериллиевые сплавы обычно содержат менее 3% бериллия.
Тем не менее, бериллиевая пыль опасна и требует особых мер предосторожности при обработке седел. Рекомендуется использовать смазочно-охлаждающую жидкость или охлаждающую жидкость вместе с пылезащитной маской, одобренной OSHA.
В последние годы были разработаны медные сплавы, не содержащие бериллия, с дополнительным содержанием никеля и кремния, которые обеспечивают такие же характеристики без риска для здоровья. Moldstar 90 — это медный сплав, не содержащий бериллия, который можно использовать с ЛЮБЫМ типом клапана (титановым или нержавеющим) или любым топливом, где требуется высокая теплопередача.
Если заказчик не может позволить себе титановые клапаны, другим способом значительно снизить вес клапана является использование клапанов с полым штоком из нержавеющей стали. Клапаны с полым штоком могут снизить вес на 10% и более, чтобы получить те же преимущества, что и титановые клапаны, но без затрат. Для улучшения охлаждения полые стержни выпускных клапанов могут быть частично заполнены натрием.
Натрий плавится при температуре 200 градусов по Фаренгейту и улучшает поток тепла через шток клапана на 40% и более. Это помогает отводить тепло от головки клапана, продлевая срок службы клапана и повышая его надежность. Это также позволяет двигателю выдерживать больший нагрев и опережение зажигания.
ОСТОРОЖНО: Натрий очень реактивен при контакте с водой. Если клапан, заполненный натрием, треснул и был помещен в резервуар для очистки с водой, натрий может выплеснуться из клапана или даже заставить клапан лопнуть и треснуть пополам.
Клапаны с полым штоком, заполненные натрием, являются хорошим улучшением производительности, но мы слышали о некоторых отказах клапанов в некоторых серийных двигателях, в которых используются эти клапаны. Если вы просматриваете форумы Corvette, вы найдете множество сообщений, в которых говорится о неисправностях выпускных клапанов с небольшим пробегом с заводскими клапанами с полым штоком, заполненными натрием. Некоторые возлагают вину за проблему на проблему контроля качества в процессе производства клапана.
Есть фотографии разрезанных клапанов, на которых видно, что центральное отверстие было просверлено значительно не по центру, что привело к неравномерной толщине стенки: одна сторона была намного тоньше другой. На некоторых полых штоках также видны царапины внутри от процесса сверления, что создает концентраторы напряжения, которые могут привести к трещинам и поломке клапана. Вот почему важно тщательно осматривать каждый клапан на наличие трещин перед его повторным использованием, независимо от его пробега. Другие винят проблему отказа клапана в проблемах концентричности седла клапана, чрезмерном износе направляющей клапана или плохом контроле допусков штока к направляющей на заводе. Избыточный направляющий зазор позволяет клапану колебаться и изгибаться при каждом цикле клапана. Некоторые владельцы Corvette заменили свои стандартные направляющие на неоригинальные бронзовые направляющие клапанов.
В дизельных двигателях клапаны с покрытием из стеллита часто используются для работы при высоких температурах выхлопных газов.
Стеллит также можно использовать на впускных клапанах. Стеллит представляет собой сплав кобальта и хрома, который увеличивает поверхностную твердость поверхности клапана примерно до 55–59 единиц по шкале Роквелла. или аналогичный материал). Покрытие Stellite значительно повышает износостойкость при высоких температурах. Если вы восстанавливаете дизельный двигатель, который на заводе оснащен клапанами с покрытием из стеллита, используйте для замены клапаны того же типа, а не обычные клапаны.
Материалы седел клапанов
Седла клапанов должны соответствовать типу клапанов двигателя. В большинстве чугунных головок седла являются цельными и подвергаются индукционной закалке для повышения износостойкости. С алюминиевыми головками седла могут быть изготовлены из сплава чугуна, порошкового металла или меди с высоким содержанием меди (для высокотемпературных двигателей или титановых клапанов).
Поставщики седла клапана предлагают различные материалы седла, поэтому посоветуйтесь с вашим поставщиком, какой сплав лучше всего подходит для вашего двигателя.
Железный сплав с высоким содержанием хрома и твердостью по Роквеллу RC40 должен быть более чем достаточным для вашего типичного бензинового двигателя, работающего на неэтилированном топливе, запаса или производительности. Этот тип сплава хорошо работает при температуре выхлопных газов до 1150 градусов по Фаренгейту.
Для двигателей, работающих на природном газе или пропане, а также двигателей с турбонаддувом, наддувом или закиси азота рекомендуется использовать более высокотемпературный сплав на основе никеля. Такой материал может выдерживать температуру выхлопных газов до 1600 градусов по Фаренгейту.
Для применений, где требуется дополнительная износостойкость при высоких температурах (например, для тяжелонагруженных дизелей), может потребоваться сплав седла с покрытием из стеллита.
Переходя к седлам из порошкового металла (PM), они используются в качестве оригинального оборудования во многих последних моделях бензиновых (и некоторых дизельных) двигателей.
Автопроизводителям нравятся сиденья PM, потому что они дешевле, чем сиденья из сплава, их можно формовать близко к готовым размерам и их легко обрабатывать (когда они новые). Седла PM затвердевают по мере старения, что хорошо для износостойкости, но также усложняет обработку сидений, если их нужно будет подправить позднее. Седла PM можно заменить на такие же или на чугунные седла или седла из другого сплава, если это необходимо.
Установка седла клапана
Большой вопрос здесь заключается в том, насколько посадку с натягом следует использовать при установке нового седла клапана? Седла в некоторых головках OEM могут иметь посадку с натягом всего 0,002 дюйма — этого достаточно, когда вы работаете с совершенно новыми головками и новыми седлами. Но обычно требуется больше посадки с натягом для головок с большим пробегом или головок, которые будут подвергаться воздействию высоких уровней мощности. Обычная рекомендация по установке новых седел в бывшие в употреблении головки или головки послепродажного обслуживания: натяг от 0,005 до 0,006 дюйма для алюминиевых головок или от 0,003 до 0,005 дюйма для головок из чугуна.
В дополнительной штамповке или закреплении посадочных мест не должно быть необходимости, если используется правильная посадка с натягом.
Чтобы упростить установку, предварительно нагрейте головки в духовке примерно до 200 градусов по Фаренгейту (больше не нужно нагревать) и охладите сиденья в морозильной камере. Кроме того, убедитесь, что седла имеют фаску на нижней внешней кромке, и используйте смазку, если седла плотно прилегают. Используйте направляющую и направляющую при установке сидений, чтобы они входили прямо и не взводились.
Ремонт клапанов и седел
Углы на поверхности клапана и седла могут реально увеличить или уменьшить потенциал производительности двигателя. Одиночный вырез под углом 45 градусов на клапанах и седлах не обеспечит такой же поток воздуха, приемистость и мощность, как работа клапана с тремя углами (30-45-60), работа клапана с четырьмя углами или седло под углом 45 градусов с подрезка радиуса.
Существует множество переменных, влияющих на поток воздуха через отверстия и чашу головки блока цилиндров.
Клапаны с подрезанным штоком непосредственно над головкой или с меньшим наружным диаметром штока теоретически улучшают поток за счет уменьшения ограничения в отверстии клапана. Тем не менее, они могут или не могут обеспечить ощутимый прирост мощности по сравнению с обычным клапаном с прямым штоком. То же самое касается клапанов с вихревой полировкой на верхней части головки клапана, головкой в форме тюльпана или коническим штоком непосредственно над головкой. Иногда эти «улучшения» повышают мощность, а иногда нет. Каждый двигатель реагирует по-разному, поэтому нет однозначного ответа на вопрос, какой тип клапана всегда обеспечивает наилучшую производительность.
У нас нет места, чтобы погружаться в теорию воздушного потока, за исключением того, что хорошо сделанная высокопроизводительная работа клапана с правильными клапанами и углами для применения может иметь большое значение в приемистости и мощности. Сделайте это правильно, и ваш клиент будет любить результаты. Сделайте это неправильно, и двигатель никогда не будет работать в полную силу.
Максимальное увеличение воздушного потока в CFM на стенде потока не гарантирует пиковую мощность и производительность. На самом деле, слишком большой поток воздуха может повредить мощности и приемистости из-за снижения скорости воздуха. Цель состоит в том, чтобы оптимизировать поток воздуха в диапазоне оборотов, при котором двигатель получает наибольшую выгоду. Поиск оптимальных углов клапана и седла часто требует большого количества экспериментов методом проб и ошибок.
Клапаны и каналы в четырехтактных двигателях
Клапаны и каналы в четырехтактных двигателяхХанну Яаскеляйнен, Магди К. Хайр
Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.
Abstract : Компоненты, расположенные после впускного коллектора в четырехтактных дизельных двигателях, выполняют важные функции по управлению подачей воздуха в цилиндр.
Клапаны тарельчатого типа контролируют синхронизацию потока в цилиндр и из него. Конструкция впускного отверстия влияет на дыхательную способность двигателя, а также на объемное движение воздуха, когда он входит в цилиндр.
- Клапаны
- Фазы газораспределения
- Впускное отверстие
- Влияние изготовления головки цилиндра на завихрение и поток
- Впускной коллектор
Поскольку воздушный поток проходит через различные компоненты и этапы системы впуска, различные свойства и характеристики всасываемого заряда были изменены для достижения общих целей системы управления всасываемым зарядом. Фильтр всасываемого воздуха обеспечивает достаточную чистоту воздуха, контроль состава наддувочного воздуха и содержания кислорода путем подачи рециркуляции отработавших газов во всасываемый воздух, а компрессор и охладитель наддувочного воздуха обеспечивают соблюдение требований по давлению и температуре во впускном коллекторе, а также плотность наддувочного воздуха.
в проектных пределах. Несколько заключительных аспектов управления воздухом достигаются после того, как всасываемый заряд выходит из впускного коллектора и поступает в цилиндр. Клапаны или порты контролируют время подачи воздуха в цилиндр. Кроме того, проход между впускным коллектором и цилиндром может оказывать значительное влияние на поток, когда он входит в цилиндр, и может использоваться для придания заряду подходящего объемного движения и кинетической энергии для обеспечения смешивания воздуха, топлива и промежуточного сгорания. продукты в цилиндре.
В четырехтактных двигателях впускной газ поступает в цилиндр через отверстие, расположенное в головке блока цилиндров, и через клапан, используемый для открытия и закрытия отверстия. В двухтактных двигателях, обсуждаемых в другом месте, обычно используются отверстия в гильзе цилиндра, которые поочередно закрываются и открываются поршнем.
Рисунок 1 . Номенклатура цельного тарельчатого клапана Поток газа в цилиндр и из цилиндра в 4-тактных двигателях контролируется почти исключительно тарельчатыми клапанами (рис.
1). Хотя использовались или предлагались клапаны других конструкций, ни один из них, по-видимому, не может сравниться по надежности и уплотняющей способности с тарельчатым клапаном. Наиболее распространенной конструкцией тарельчатого клапана в автомобилестроении является цельный клапан, в котором весь клапан сделан из одного и того же материала. Однако доступны и другие варианты, в том числе:
- Конструкция со сварным наконечником имеет отдельный наконечник, приваренный к стержню над канавкой держателя. Наконечник может быть изготовлен из материала, гораздо более износостойкого, чем остальная часть клапана.
- Конструкция, состоящая из двух частей, имеет отдельный шток, приваренный над галтелью, рис. 2 слева.
- Конструкция с внутренним охлаждением имеет полый шток, содержащий охлаждающую жидкость, такую как металлический натрий или смесь натрия и калия, и обычно используется в выпускных клапанах с высокими эксплуатационными характеристиками для тяжелых условий эксплуатации, рис.
2 в центре. Пиковые температуры клапана снижаются благодаря «эффекту встряхивания» расплавленного металла, и эти конструкции могут особенно хорошо выдерживать тепловые нагрузки. Температура в полой шейке может быть снижена примерно на 80–130 К, что снижает общий износ клапана и вкладыша седла клапана. - Некоторые конструкции также имеют полую полость в головке клапана, содержащую металлический натрий, рис. 2, справа. Это расширение классического полого клапана, заполненного натрием, с дополнительной полостью в головке клапана. Это может увеличить пики температуры в головке клапана и еще больше увеличить срок службы клапана.
- Конструкция со сварной поверхностью седла имеет седло клапана, на которое наварено твердое покрытие, чтобы лучше выдерживать условия, которые в противном случае привели бы к чрезмерному износу седла клапана и/или коррозии.
Слева: Клапан со сплошным штоком, состоящий из двух частей.
Центр: Клапан с полым штоком.
Справа: Клапан с полым штоком и дополнительной полостью на головке клапана.
(Источник: Мале)
В дополнение к различным стилям конструкции клапаны могут иметь различные усовершенствования конструкции для повышения их долговечности. Деформационное упрочнение поверхности седла можно использовать для умеренного повышения износоустойчивости седла в тех случаях, когда нет необходимости в сварной конструкции поверхности седла. Обработку поверхности штока можно использовать для уменьшения трения и/или износа, особенно в тех случаях, когда в противном случае может возникнуть адгезионный износ. Алюминирование поверхности седла клапана, а иногда и поверхности сгорания для повышения коррозионной стойкости в среде с оксидом свинца когда-то было популярно для двигателей, работающих на этилированном бензине. Крышки наконечников, установленные на конце штока клапана, могут использоваться для повышения износостойкости наконечников, когда сварка разнородных металлов представляет проблему.