Из чего состоит клапан двигателя?

Клапаны и клапанные приводы

Клапаны и клапанные приводы
Назначение клапанов
Газы поступают и выходят из работающего цилиндра через каналы, но эти каналы должны быть открыты только в той части рабочего цикла, когда необходимо прохождение через них газов. Все остальное время они должны быть не просто закрыты, а закрыты достаточно плотно, чтобы предотвратить прохождение газов, находящихся под высоким давлением. Таким образом, назначение клапанов — закрывать каналы все время, кроме того, когда они должны быть открыты. (Следует отметить, что в случае двухтактных двигателей каналы могут закрываться благодаря перекрыванию их поршнем, но этот метод не может быть использован в четырехтактном двигателе.)
Чтобы выполнять свою функцию, клапаны должны:
1 обеспечивать совершенно газонепроницаемое уплотнение каналов в закрытом состоянии;
2 не оказывать сопротивления прохождению газов в открытом состоянии;
3 работать с приводом от как можно более простого механизма;
4 работать с минимальным трением.
Типы клапанов
В ходе эволюции двигателей внутреннего сгорания использовались клапаны различных типов. Основными типами клапанов были следующие:
Тарельчатые клапаны
Они применялись уже в паровых двигателях, еще до появления двигателей внутреннего сгорания, а затем использовались в ранних типах этих двигателей. Конструкция клапанов оказалась настолько успешной, что они продолжают в настоящее время оставаться главным типом клапанов из используемых на современных двигателях.
Золотниковые клапаны
Эти клапаны были наиболее часто используемыми в ранних двигателях внутреннего сгорания, но оказались менее эффективными, чем тарельчатые клапаны, и в настоящее время применяются редко.
Золотниковые клапаны с муфтами
Использовались несколько разновидностей таких клапанов. Наиболее успешными были конструкции клапанов Кнайт и Барта-Мак Каллама.
Клапан типа Кнайт был изобретен приблизительно в 1905 году и состоял из муфты, свободно скользящей внутри цилиндра, а внутри нее свободно скользила вторая муфта, поршень же двигался внутри внутренней муфты. Муфты перемещались вверх и вниз внутри цилидра, а каналы, прорезанные в муфтах, были расположены так, чтобы обеспечивать открытие каналов цилиндра в требуемое время.
Эти клапаны применялись компанией Даймлер приблизительно с 1909 по 1933 год, они также использовались европейскими производителями на автомобилях Панхард, Минерва, Вуасан, Пежо, а также на некоторых моделях Мерседес.
Золотниковый клапан Барта-Мак Каллама состоит из одной муфты, которая может совершать как движение вверх или вниз, так и частично поворачиваться внутри цилиндра; каналы в муфте открывают в определенное время каналы цилиндра. Этот клапан были изобретен приблизительно в 1909 году и впервые был использован на автомобиле модели Аргил в 1911 году. Он также использовался на некоторых других автомобилях, но наибольшее применение он получил в авиационных двигателях компании Бристоль Аэроплэйн К0, начиная приблизительно с 1935 года. Он также использовался в двигателе Напье «Сабр», двадцатичетырехцилиндровом двигателе мощностью около 3500 л. с, а также в поршневых авиационных двигателях Роллс-ройс типа «Игл», также имеющих двадцать четыре цилиндра и развивающих мощность более 3000 л. с.
Хотя клапаны этих типов и имели определенные преимущества по сравнению с обычными тарельчатыми клапанами, они не получили широкого распространения в автомобильных двигателях. Главным их недостатком был относительно высокий расход масла и сильно загрязнен вый выхлоп.
Поворотный клапан
Было разработано несколько типов поворотных клапанов и некоторые из них показали весьма неплохие результаты. Такой клапан состоит из поворачивающихся «заглушек», располагающихся поперек каналов и имеющих отверстия, которые в требуемое время открывают рабочие каналы и допускают протекание газов.
Единственным типом клапанов, который используется в автомобильных двигателях в настоящее время, является тарельчатый клапан, и этот тип мы рассмотрим более подробно.
Тарельчатый клапан
Тарельчатый клапан и его детали изображены на рис. 8.1.

Сам клапан состоит из тарелки в форме диска, центр которой соединен с одной стороны со штоком. Край тарелки со стороны штока клапана тщательно отшлифован под углом — обычно 45°, но иногда и 30° — образуя фаску. Когда клапан закрыт, фаска примыкает к подобным же образом отшлифованному седлу клапана с внутренней стороны канала.
Состояние фаски и седла клапана чрезвычайно важно для обеспечения газонепроницаемости клапана. Они шлифуются специальными приспособлениями и иногда фаски притираются к седлам с использованием очень мелкого абразива. Является ли это на самом деле необходимостью, часто является предметом споров.
Если после значительного периода эксплуатации состояние фасок и седел плохое и допускает утечки, они должны быть заново отшлифованы. Для этой цели имеются специальные машинки.
На рис. 8.2 фаска и седло изображены более детально.

Седло более узкое, чем фаска, чтобы уменьшить риск попадания частиц углерода между седлом и фаской, и чтобы обеспечить газонепроницаемое уплотнение при действии довольно высокого давления. Толщина тарелки клапана, обозначенная стрелками, также очень важна: острый угол, в особенности в случае выпускного клапана, может привести к чрезмерному нагреву и, как следствие, преждевременному зажиганию (зажигание смеси внутри цилиндра до появления искры).
В некоторых случаях фаска выпускного клапана шлифуется приблизительно под углом приблизительно на 1/2° меньшим, чем угол седла клапана, как изображено на рис. 8.3.

Для этого имеются три причины:
1. Наиболее горячей частью клапана при его работе является тарелка со стороны штока и дополнительное расширение с этой стороны делает углы фаски и седла равными, при достижении рабочей температуры.
2. Выпускной клапан становится очень горячим (часто раскаляется докрасна, когда двигатель работает при полностью открытой дроссельной заслонке) и, вследствие этого, менее прочным. При этих условиях тарелка клапана слегка прогибается под действием пружины, что может привести к приподниманию внутреннего края фаски (ближнего к камере сгорания) от седла клапана, если углы будут одинаковыми в холодном состоянии.
3. Это уменьшает риск захвата частиц углерода между фаской и седлом клапана. В этом случае фаска и седло клапана не должны притираться.

Из чего состоит клапан двигателя?

Клапаны подвергаются воздействию высоких температур и давлений, их изготавливают из жаростойких сталей. Клапан состоит из стержня и головки с фаской А, обычно наклоненной под углом 45°. Для улучшения наполнение цилиндра воздухом или горючей смесью диаметр головки впускных клапанов больше, чем у выпускных. По этой же причине в некоторых двигателях ( СМД -62) делают уменьшенный угол наклона фаски (до 30°) к плоскости головки.

Клапаны должны плотно прилегать к седлу. Для этого их фаски взаимно притирают. Для большей жаростойкости на фасках выпускных клапанов имеется специальная наплавка.

Плавный переход от головки к стержню придает клапану большую прочность, способствует лучшему отводу теплоты и уменьшает сопротивление движению газов. Стержни клапанов точно обработаны по всей длине, а иногда еще покрыты графитом. Торец стержня закален или к нему приварен встык наконечник (Д-240 и КамАЗ-740) из специальной стали. Это уменьшает изнашивание торца под действием бойка коромысла.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

На верхней части стержня выполнена кольцевая выточка под два сухаря, с помощью которых клапан удерживается в тарелке пружин. В нее снизу упираются одна (в карбюраторных автомобильных двигателях) или две (в дизелях) клапанные пружины, прижимающие тарелку клапана к седлу.

Фаски головки и седла изнашиваются дольше, если клапан поворачивается во втулке. Для этого сухари зажимаются не в тарелке пружин, а в закаленной втулке, которая опирается на тарелку узким торцом (на всех двигателях кроме Д-240 и Д-144). При такой опоре трение между деталями мало, и под действием коромысла, а также вибрации пружин, клапан, опускаясь и поднимаясь, поворачивается вместе с втулкой относительно тарелки. В дизеле СМД -18Н втулка удлинена и слегка охватывается верхним витком внутренней пружины. При возвратно-поступательяом движении клапана эта пружина поворачивает втулку, а с ней и клапан относительно тарелки. Механизм принудительного поворота выпускного клапана двигателя ЗИЛ -130 состоит из неподвижного корпуса (рис. 28, в), пяти шариков с возвратными пружинами, тарельчатой пружины, упорной шайбы и замочного кольца. Корпус надет на втулку клапана и входит в углубление головки цилиндров. Шайба и пружина установлены на ступицу корпуса с зазором.

Когда клапан закрыт и давление его пружины невелико, тарельчатая пружина выгнута наружной кромкой вверх, а внутренней кромкой опирается в заплечик неподвижного корпуса. При этом шарики отжаты пружинами в крайнее положение. Когда клапан открывается, давление его пружины возрастает. Под повышенным давлением тарельчатая пружина выпрямляется (выпуклость ее уменьшается) и опирается на шарики, как двуплечий рычаг. Поэтому, когда ее наружная кромка опускается, внутренняя отходит от заплечика корпуса. С этого момента давление клапанной пружины воспринимается только шариками, они перекатываются по наклонным канавкам и поворачивают (силой трения) тарельчатую пружину, а с ней — шайбу, пружину и клапан.

Когда клапан закрывается, сила давления его пружины уменьшается, пружина принимает первоначальную форму (выпуклую вниз), опирается в заплечик корпуса и перестает давить на шарики. Освобожденные от давления шарики возвращаются пружинами по наклонным канавкам вверх, занимая исходное положение. За один ход клапан поворачивается на небольшой угол, но за 1 мин работы двигателя успевает совершить до 30 оборотов.

В стержнях выпускных клапанов двигателей 3M3-53 и ЗИЛ -130 сверлят глухие каналы, наполняют их на 50…60% легкоплавким металлом (натрием), а затем приваривают заглушку. Во время работы двигателя натрий плавится и, взбалтываясь, отводит часть теплоты от головки к стержню и его втулке.

Стержни клапанов с небольшим зазором перемещаются в направляющих втулках, запрессованных в головку цилиндров. Эти втулки бывают чугунные, биметаллические с бронзой на рабочей поверхности или металлокерамические. Пористая поверхность последних и графитовое покрытие стержней ( СМД -62, ЯМЗ -240Б, КамАЗ-740) способствуют лучшей приработке сопрягаемых деталей. На верхней части втулок впускных клапанов ( ЯМЗ -240Б, Д-245 и автомобильные двигатели) установлены резиновые втулки, предотвращающие подсос масла в камеру сгорания через зазор между трущейся парой.

Клапанные пружины прижимают головку клапана к седлу. Чтобы витки одной пружины не западали между витками другой, направление навивки у них различное. В некоторых двигателях применяют пружины с различным шагом витков и ставят их так, чтобы витки с большим шагом были обращены вверх. Такие пружины меньше вибрируют.

Распределительный вал необходим для управления клапанами. На нем имеются кулачки, опорные шейки и посадочные места для крепления шестерен. Шейки и кулачки цементованы, закалены на небольшую глубину и отшлифованы. В рядных двигателях вал расположен сбоку цилиндров, а V-образных — в развале между рядами.

Валы разных двигателей отличаются размерами, расположением, числом и профилем кулачков, числом опорных шеек. На каждый цилиндр приходится два кулачка: для управления впускным и выпускным клапанами. Форма и взаимное расположение их зависят от порядка работы цилиндров и фаз газораспределения, а высота кулачка определяет продолжительность открытия клапана. При разных (по времени) фазах носок выпускных кулачков делают шире носка впускных.

На распределительном валу имеются от двух до семи опорных шеек. Они опираются на расточки в блоке или на бронзовые, стальные с баббитовой заливкой или чугунные втулки, закрепленные в нем.

В двигателях 3M3-53 и ЗИЛ -130 на распределительный вал установлена косозубая шестерня привода масляного насоса и прерывателя-распределителя зажигания, а также выполнен заодно с валом или закреплен на нем эксцентрик привода топливного насоса.

Осевое перемещение вала ограничивается фланцем 7, привинченным к блоку (в СМД -18Н — упорным винтом). На переднем или заднем конце вала, как правило, крепят одну (иногда две) шестерню.

Распределительные шестерни бывают стальные, чугунные или текстолитовые (3M3-53). Для плавности передачи вращения и уменьшения шума применяют косозубые шестерни, а для уменьшения изнашивания сопрягаемые шестерни иногда изготавливают из разных материалов.

Шестерни коленчатого и распределительного валов рядных дизелей, а также КамАЗ-740 и ЯМЗ -240Б соединены через промежуточную шестерню, а СМД -62 и карбюраторных двигателях — непосредственно, т. е. без промежуточной шестерни.

К распределительным условно относят и шестерни привода насосов: масляного, водяного, гидросистемы. Точное взаимное расположение шестерен достигается соединением их по меткам, как показано на рисунке. Только при выполнении этого условия клапаны будут открываться и закрываться в соответствии с диаграммой фаз газораспределения.

Передаточные детали (толкатели, штанги и коромысла) нужны для преобразования вращения кулачков распределительного вала в возвратно-поступательное движение клапанов.

Цилиндрические и грибовидные толкатели перемещаются в чугунных втулках. Трущиеся поверхности толкателей шлифуют.

Чтобы изнашивание торца и цилиндрической поверхности было равномерным, толкатель, перемещаясь вверх и вниз, одновременно поворачивается вокруг своей оси. Это достигается смещением середины кулачка относительно центра плоского толкателя или изготовлением торцевой поверхности толкателя с небольшой выпуклостью, а кулачка — с небольшим скосом.

Роликовый толкатель (А-41, ЯМЗ -240Б) — качающийся рычажный. На нем имеются ролик, вращающийся в игольчатых подшипниках, и закаленная пята, в которую упирается штанга.

Рычаг шарнирно надет на трубчатую ось.

Штанги изготавливают из трубок, в которых запрессованы стальные наконечники сферической формы, или из стального прутка, но тоже со сферическими концами. Наконечники и концы штанг закаливают и шлифуют.

Коромысло представляет собой неравноплечий рычаг, с помощью которого можно увеличить ход клапана по сравнению с подъемом штанги. Коромысло отштамповано из стали и в нем обычно имеется бронзовая втулка. На коротком плече расположен регулировочный винт 9, в который упирается штанга, а длинное плечо заканчивается закаленным полированным бойком, прилегающим к торцу клапана. Винтом с контргайкой регулируют зазор между бойком и торцом клапана.

Коромысла поворачиваются на осях, закрепленных в чугунных стойках. Оси — стальные и, как правило, трубчатые. Если канал оси используется для подачи масла к коромыслам, то в торцах имеются пробки, а в оси — радиальные отверстия, расположенные против втулок коромысел.

Стойки коромысел прикреплены к головке цилиндров. Распорные пружины, надетые на ось между коромыслами, удерживают их от продольного перемещения. Коромысла и клапанные механизмы закрыты крышками или колпаками головки цилиндров и уплотнены на ней прокладками.

Выпускной клапан

Выпускной клапан – элемент газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания. Обеспечивает выпуск отработавших газов из камеры сгорания.

Камера сгорания должна быть герметичной в момент, когда в ней вспыхивает топливо. После того как энергия вспышки израсходована, из камеры необходимо удалить отработавшие газы, заполнить ее воздухом и бензином, и подготовить к новой вспышке. Для удаления выхлопных газов в головке блока цилиндров установлены тарельчатые клапана, обеспечивающие надежную герметизацию камеры сгорания в момент, когда они закрыты.

Конструкция выпускного клапана

Выпускные клапаны расположены в головке блока цилиндров. Впуск топливо-воздушной смеси в цилиндр происходит при условии разрежения в камере сгорания, а выпуск – в условиях повышеного давления. Это значит, что после сгорания газы стремятся просочиться наружу, и для их выпуска достаточно открыть клапан. Поэтому, кстати, выпускные клапана всегда меньше, чем впускные – всасывающая сила разрежения уступает силе давления, выталкивающей газы наружу.

Клапанный механизм требует точной регулировки. Если клапан закрывается слишком рано, недогоревшие газы очень быстро сожгут его

Для надежной герметизации камеры сгорания во всех современных двигателях используются тарельчатые клапаны. Преимуществ у такой конструкции несколько. Клапан, состоящий из тарелки, и стержня, прост и надежен, как гвоздь. Переход от фаски к стержню выполнен плавно, что придает клапану необходимую прочность. Кроме того, коническая форма перехода способствует уменьшению сопротивления газов и улучшению герметизации.

Принцип работы выпускного клапана

Выпускной клапан открывается от усилия кулачка распределительного вала. Возвратно-поступательные движения шток клапан совершает во втулке, запрессованной в головку блока цилиндров.

В головке же находится и седло клапана. По сути, это углубление, чья форма соответствует форме верхней части тарелки. Седло и тарелка с высокой точностью притираются друг к другу. Это исключает прорыв газов из камеры сгорания в момент, когда клапана закрыты.

При появлении первой трещины на тарелке процесс разрушения приобретает характер цепной реакции. Чем больше трещина, тем больше перегрев от прорывающихся наружу струй несгоревшего топлива

Верхняя часть стержня выпускного клапана имеет выточку. В нее устанавливаются “сухари” – разрезанное на две половины коническое кольцо. С их помощью тарелка пружины держится на клапане. Пружина создает усилие, необходимое для возврата клапана в закрытое положение.

Отдельные автомобильные двигатели имеют специальный механизм для принудительного проворачивания клапана. Таким образом обеспечивается равномерный износ детали.

Выпуск отработанных газов происходит в тот момент, когда поршень цилиндра движется от нижней мертвой точки к верхней. Выпускной клапан ДВС работает в условиях повышенной нагрузки. Нагрев головки клапана во время работы двигателя может достигать 800 градусов.

Характерные поломки выпускных клапанов

Агрессивные отработанные газы вызывают коррозию выпускных клапанов. Продукты неполного сгорания топлива приводят к прогоранию.

После определенного периода работы тарелка выпускного клапана и седло в головке блока покрываются нагаром.

Высокая температура накаляет нагар. Происходит выжигание опорной поверхности выпускного клапана. Это влечет за собой потерю герметичности. Появляются нарушения в работе двигателя: падает мощность, затрудняется запуск двигателя. В образовавшиеся щели устремляется под давлением струя горячих неотработанных газов. Это еще сильнее нагревает головку клапана. Как результат – деформация головки и разрушение клапана. При разрушении клапана работа цилиндра фактически прекращается.

Способы защиты от перегрева

Чтобы противостоять эрозии от перегрева выпускные клапаны изготавливаются из жаростойкой стали (хромникельвольфраммолибденовая сталь).

При замене разрушенного клапана притирка к седлу – абсолютно обязательна. Если клапан не притереть, его придется менять снова, и очень скоро

Основа сплава, из которого производятся выпускные клапана – никель. Этот металл повышает сопротивляемость клапана к механическому износу. Поскольку выпускной клапан подвергается большей термической нагрузке, чем впускной, он имеет другую структуру. Стержень выпускного клапана делается полым. Внутренняя полость заполняется металлическим натрием. Это необходимо для улучшения теплообмена.

Современные технологии дают возможность дополнительно защитить выпускные клапаны от агрессивного воздействия.

Самый универсальный способ – плазменно-порошковая наплавка. Кроме этого, существуют методы лазерного легирования и наплавки токами высокой частоты. Эти методы защиты увеличивают стоимость детали, но существенно продлевают срок ее службы.