Что находится внутри автомобильного клапана

Клапаны двигателя: конструктивные особенности и назначение

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

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

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

Общее устройство

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

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

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

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

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

К каждой паре и группе клапанов предъявляются следующие требования:

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

Конструктивные особенности

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

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

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

Конструктивно деталь состоит из двух частей:

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

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

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

Требования к изготовлению пружин и втулок

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

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

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

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

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

Клапан

Клапан – деталь газораспределительного механизма. Клапанный механизм (механизм привода клапанов) является составной частью газораспределительного механизма (ГРМ).

ГРМ бывает нижнеклапаннымм и верхнеклапаннымм. Современные силовые агрегаты повсеместно имеют верхнее расположение клапанов.

Клапан реализует прямую подачу в цилиндры определенной порции топливно-воздушной смеси или только воздуха, а также осуществляет выпуск отработавших газов. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания для нормальной работы требуется не менее двух клапанов на один цилиндр.

Клапаны бывают двух видов, что зависит от их прямой функции:

• впускной клапан;
• выпускной клапан;

Сегодня на современные моторы устанавливаются клапаны тарельчатого типа, которые имеют стержень. Устройство клапана включает в себя так называемую тарелку клапана. Наиболее распространенная конструкция ДВС получила клапаны, которые находятся в головке блока цилиндров (ГБЦ). То место, где клапан контактирует с ГБЦ, получило название седло клапана. Седло клапана ДВС стальное или чугунное, запрессовано в головку блока цилиндров.

Максимально качественное наполнение цилиндра двигателя топливно-воздушной смесью или воздухом требует того, чтобы диаметр тарелки впускного клапана был больше, чем у выпускного клапана. Впускные и выпускные клапаны имеют определенные отличия по этой причине. Впускной клапан зачастую получает больший диаметр своей тарелки. Это сделано для того, чтобы улучшить наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью или только воздухом.

Что касается выпускного клапана, в увеличении диаметра его тарелки необходимость также присутствует. Это необходимо для лучшей очистки цилиндров от продуктов сгорания. Отметим, что размер тарелки впускного и выпускного клапанов ограничен размерами самой камеры сгорания, которая изготовлена в ГБЦ. Качественное наполнение цилиндров и очистка реализуются не путем увеличения диаметра тарелки одного клапана, а путем установки большего количества клапанов на один цилиндр.

Повышенное внимание уделяется вопросу охлаждения именно выпускных клапанов, особенно для производительных силовых агрегатов. Выпускные клапана подвержены тепловой нагрузке намного больше впускных. Как уже было сказано, клапаны в таких моторах имеют полый стержень, который внутри наполнен натрием. Такое решение является эффективным способом охлаждения. Указанный натрий при выходе мотора на рабочую температуру плавится внутри полого стержня клапана, а затем в расплавленном виде течет. Так осуществляется перенос избытков тепла от разогретой тарелки клапана к его стержню.

Место прилегания тарелки клапана к блоку называется фаской. Для того чтобы фаска не страдала от скопления нагара, а также было реализовано равномерное распределение тепла, в конструкции клапанного механизма используются решения для вращения (проворачивания) клапана в процессе работы ДВС.

Современное устройство наиболее распространенного двигателя предполагает схему с четырьмя клапанами, что означает наличие двух впускных и двух выпускных клапанов на каждый отдельный цилиндр. В момент открытия (клапан опускается) впускного клапана образуется кольцевой проход. Через этот проход между тарелкой клапана и седлом клапана в цилиндр попадает топливно-воздушная смесь или только воздух. От площади проходного сечения будет зависеть эффективность наполнения цилиндра, что далее влияет на показатели производительности при рабочем ходе поршня.

Могут также встречаться двухклапанные, трехклапанные и пятиклапанные схемы устройства ГРМ. В первом случае используется только один впускной и один выпускной клапан на цилиндр. Для трехклапанных схем характерно наличие двух впускных и одного выпускного клапана. Схема на пять клапанов означает, что стоят три впускных и два выпускных клапана. Количество клапанов на цилиндр зависит от общего размера камеры сгорания конкретного двигателя, реализации привода клапанов, степени форсировки мотора, а также ряда других факторов.

Открытие клапана реализовано при помощи нажатия на клапанный стержень. За открытие отвечает привод клапана. Указанный привод обеспечивает передачу усилия от распределительного вала (распредвала). В современных двигателях используются две базовые схемы привода клапанов: привод посредством гидравлических толкателей клапана и реализация привода при помощи роликовых рычагов.

Закрытие клапана в процессе работы ДВС осуществляется при помощи специальной пружины определенной жесткости. Жесткость такой пружины должна быть ограниченной, чтобы не создавать больших ударных нагрузок на седла клапанов. Сила воздействия пружины заставляет тарелку клапана герметично перекрывать впускной или выпускной канал. Пружина клапана крепится на стержне посредством тарелки клапанной пружины и сухарей. Во время работы мотора, особенно под нагрузкой, могут возникать резонансные колебания на клапанах. Для устранения этого нюанса могут быть установлены сразу две клапанные пружины с разнонаправленными витками.

Жесткость таких пружин меньше по сравнению с решениями, которые получили только по одной пружиной. Использование двух пружин подразумевает то, что они навиты в разные стороны. Это сделано для предотвращения заклинивания клапана в результате поломки одной пружины. Так инженеры исключили риск попадания витков одной пружины клапана между витками другой. Для уменьшения трения клапанный механизм конструктивно имеет вышеупомянутые ролики (роликовый рычаг), которые находятся на толкателях и рычагах привода клапанов.

Зачем в клапанах мотора натрий? — проверьте свои знания

— Действительно, при производстве в полость выпускных клапанов – от головки и вдоль всего стрежня – помещают натрий.

Этот щелочной металл при работе двигателя плавится и, перемещаясь внутри клапана, интенсивно переносит тепло от головки к стержню. Стержень отдает тепло втулке клапана и далее – головке блока цилиндров. Температура тарелки клапана снижается, а долговечность растет.

Такая конструкция ранее использовалась на двигателе ЗИЛ 130, а сейчас часто встречается на форсированных наддувных моторах.

Впускной и выпускной клапан двигателя: устройство, ремонт и настройка элементов системы газораспределения ДВС

Впускной клапан – один из основных компонентов механизма распределения газов в 4-тактных моторах. В открытом состоянии обеспечивает отвод выхлопа, а в закрытом не допускает потерю давления сжимаемого воздуха либо топливовоздушной смеси. В некоторых двигателях устанавливается по 2 клапана впуска на цилиндр, позволяющих ускорить удаление выхлопа.

Впускной и выпускной клапан ДВС: в чем отличие

Назначение впускных и выпускных клапанов – обеспечение газообмена в цилиндрах 4-тактного силового агрегата. Для привода распределительного механизма используется кулачковый вал, получающий вращающий момент от коленчатого вала косозубой зубчатой передачей, цепью (однорядной либо двухрядной) либо ремнем.

ГРМ осуществляет подачу воздуха и отвод продуктов сгорания с обеспечением герметичности цилиндров при закрытом впуском либо выпускном клапане.

Впускной и выпускной клапан двигателя

Материалы изготовления

При производстве выпускного клапана применяется легированная жаропрочная сталь. Материал должен сохранять прочность при температуре свыше +850⁰С. В ряде двигателей стержень клапана выполняется пустотелым для последующего заполнения натрием для лучшего охлаждения.

В тарелке есть заглушка, которая имеет жесткую посадку и не выпадает при работе мотора. Выпускные клапаны с заполнением натрием использовались на ряде моторов для грузовых автомобилей (например, на унифицированных агрегатах ЗиЛ-375 и ЗиЛ-130).

Для изготовления клапанов в СССР и РФ использовались стали ЭСХ8, Х10СМ или ЭЯ2. Для снижения себестоимости выпускные клапаны могли иметь составную конструкцию: тарелки выполнялись из жаропрочных материалов, а стержни – из бюджетных сталей 40Х или 40ХН. Затем детали сваривали на специальных станках.

Для обеспечения износостойкости на кромки тарелок могут наплавляться слои композитов на базе кобальта или хрома. Высокая температура газового потока определяет разницу материалов, применяемых для клапанов, распложенных во впускном или выпускном тракте.

Впускной клапан Выпускной клапан

Устройство и размеры

В поршневых моторах транспортных средств (вне зависимости от способа воспламенения и схемы ГРМ) по размерам почти всегда больше впускной клапан. Причина – условия работы. При смещении поршня вниз на такте впуска, в полости цилиндра создается разряжение и поток воздуха или смеси имеет небольшую скорость. При вытеснении продуктов сгорания, поток продолжает расширяться и дополнительно ускоряется поршнем.

Но в случае использования 5-клапанного корпуса головки блока цилиндров (например, на некоторых моторах Volkswagen или Mitsubishi) выпускные клапаны крупнее впускных. Это связано с необходимостью оптимизации газообмена.

Три канала на впуске обеспечивают быстрое заполнение цилиндра, а пара выпускных клапанов должна стабильно отводить газы после сгорания топлива.

Схема устройства впускного и выпускного клапанов двигателя

Даже если тарелка клапана выхлопа имеет больший диаметр, конструкция и сечение стержня для клапанов в пределах одной модели силового агрегата всегда идентичны. Детали имеют одинаковую длину, габариты канавки для установки сухарей.

На чертеже показаны клапаны для двигателя ВАЗ-2108. Фаска (угол 30 или 45⁰) на кромке тарелки обеспечивает герметичность стыка с седлом, а скругленный участок между стержнем и передней тарелкой повышает прочность и направляет газовый поток. Разные габариты фаски определяются отличными условиями работы впускного и выпускного клапана.

Клапаны для двигателя ВАЗ-2108

Принцип работы

При запуске 4-тактного двигателя начинает работать газораспределительный механизм. Момент открытия впускных клапанов наступает до смещения поршней в крайнее верхнее положение, обозначающее начало такта впуска. Затем поршень движется вниз.

Разряжение затягивает воздух либо топливовоздушную смесь. Цилиндр продолжает наполняться и после нижней крайней отметки (за счет инерционных вихрей). Запирание впускного клапана наступает спустя 15⁰…25⁰ после начала обратного движения вверх.

Затем идет стадия сжатия газовой среды. Процесс горения начинается до смещения поршня в верхнее положение. При начавшемся расширении происходит смещение поршня вниз, выпускной клапан размыкается заранее, обеспечивая снижение давления на поршень при вытеснении отработавших газов.

Стадии перекрытия клапанов, при которой оба канала газообмена не герметичны, имеются на всех моторах.

На схеме показана диаграмма газораспределения для дизеля трактора Т-130М, график для другого мотора будет выглядеть иначе. Фазы определяются конструктором на стадии разработки мотора с учетом геометрии каналов впуска и выпуска и инерционных течений газовых потоков.

Принцип работы

Характерные поломки

Основные неисправности выпускных клапанов:

Цепной механизм привода ГРМ Зубчатый ремень двигателя

Перед тем как определить состояние деталей газораспределительного механизма, следует проверить исправность цепного или ременного привода. Для устранения дефектов ГРМ необходим демонтаж головки. Некоторые поломки можно устранить без замены деталей (например, небольшие каверны на фаске или торце стержня убирают шлифовкой).

Что делать, если стучат клапаны в двигателе

Главная причина стука от работающего ГРМ – избыточное расстояние между торцом клапана и приводом. Кулачок распредвала, который находится в головке или в теле блока, неправильно соприкасается с рокером, что вызывает металлический цокот.

Шум может появляться на холодном или горячем моторе, а также пропадать по мере прогрева. Но при появлении посторонних звуков следует убедиться в корректности воздушного промежутка в ГРМ, а затем приступить к ревизии прочих систем двигателя.

Как отрегулировать клапана

Между торцом впускного либо выпускного клапана и приводом (кулачком или рокером) имеется воздушный промежуток. Диапазон размеров определяется на этапе разработки двигателя и должен соблюдаться при эксплуатации.

Избыточный зазор приводит к неполному отпиранию клапана и появлению стука при работе агрегата после холодного старта. Слишком маленькое расстояние вызывает неполное закрытие, подгорание седла и тарелки впускного либо выпускного клапана.

На части двигателей для привода впускных и выпускных клапанов смонтированы гидравлические компенсаторы, автоматически выставляющие требуемый зазор и не нуждающиеся в настройке. Детали при работе изнашиваются, но ресурс сопоставим со сроком эксплуатации мотора до капитального ремонта.

Азиатские производители (например, Toyota) часто упрощают конструкцию ГРМ и используют для регулировки зазоров сменные шайбы, ресурс которых не превышает 100 тыс. км. Двигатели старого образца (ВАЗ для «классического» ряда) требуют периодической ручной корректировки ГРМ.

Если регулировка не позволила восстановить работу ГРМ, то требуется ремонт системы. Процедура более трудоемка, чем снятие шариковой конструкции (например, ниппеля шины), при которой достаточно снять пружину, манжету и вынуть клапан. Для демонтажа клапана впускной или выпускной системы необходимо снять и частично разобрать головку блока.

Использование специальных инструментов

Корректировка работы клапанов впускной и выпускной системы силовой установки автомобиля не требует специальной оснастки. В гараже и на небольших сервисах используются стандартными щупами. На крупных СТО могут применять индикаторные стойки.

У дилеров встречаются специальные стенды для проверки впускного и выпускного клапанов, схема которых регламентируется производителем агрегата.

Регулировка с помощью щупа и контргаек

Изменение зазора путем вращения контргайки производится на силовых установках с любым местонахождением распределительного вала. Для выполнения работ понадобится набор щупов и гаечных ключей. Перед началом работ требуется снять крышку газораспределительного механизма и уточнить диапазон значений зазора по заводской документации.

Следует учесть, что расстояния между торцом и рокером отличаются для впускного и выпускного клапана, а на ряде ДВС различаются и по номерам цилиндров. Работы выполняют только на остывшем моторе (температура +20⁰…+25⁰С). При нагреве детали увеличиваются, что ведет к искажению значения зазора.

Периодичность обслуживания ГРМ указывается в заводской документации (например, для двигателей ВАЗ настройка зазора ГРМ проводится через 20-30 тыс. км).

1. Вывести поршень цилиндра, в котором проводится настройка, в верхнее положение. Оба клапана закрыты, приводы должны свободно перемещаться в пределах зазора.
2. Отвернуть контрящую гайку на регуляторе, а затем повернуть винт в требуемую сторону (отверткой или гаечным ключом – в зависимости от модификации мотора).
3. Вставить в промежуток между торцом и узлом для привода (например, рокером) щуп требуемой толщины и выставить расстояние винтом.
4. Затянуть контрящую гайку и повторно проконтролировать зазор клапана впускной или выпускной системы. Щуп должен проходить через промежуток с легким усилием.
5. Последовательно отрегулировать клапаны в остальных цилиндрах, выставляя поршни в верхнюю позицию.

Регулировка с помощью шайб

Перед тем, как отрегулировать впускной или выхлопной клапан в механизме с шайбами или стаканчиками, надо определить зазор щупами. Затем вынуть шайбы для замеров, нанося на детали метки для определения места установки.

После высчитать толщину новых регуляторов, вычитая из толщины старой детали значение номинального зазора и добавляя число номинального расстояния.

Полученное значение округляют в сторону ближайшего габарита шайбы.

Регулировка с помощью шайб

Регулировка с помощью индикатора и рейки

При настройке ГРМ двигателей внутреннего сгорания может использоваться стрелочный прибор часового типа с индикаторной рейкой. В набор входит жесткая стальная направляющая, которую временно крепят на головке со снятой крышкой клапанов. Рейку фиксируют болтами через штатные отверстия. В эпоху СССР существовали специальные наборы для корректировки зазоров для карбюраторных моторов «классических» моделей ВАЗ.

Поршень в регулируемом цилиндре выставляют в верхнее положение, ставят индикатор около клапана выпускной системы. Входящим в набор ключом поворачивают распределительный вал для имитации работы ГРМ. Затем зазор корректируют и последовательно проверяют впускные и выпускные клапаны остальных цилиндров.

Метод был популярен в эпоху СССР, поскольку из-за дефицита запасных частей двигатели эксплуатировали с изношенными распредвалами. Щуп не учитывает дефекты на поверхностях, а индикатор позволяет точно замерить зазор в ГРМ.

Регулировка с помощью индикатора и рейки

Проверка работоспособности

После завершения настройки впускного и выпускного клапанов следует установить на место крышку механизма ГРМ и остальные детали и проверить работу двигателя. При большом зазоре буден слышен металлический стук (пропадающий по мере прогрева), при маленьком расстоянии неизбежна потеря мощности мотора.

Какие клапана больше – на впуске или выпуске, особого значения не имеет. Здесь важнее своевременно обслуживать двигатель с использованием рекомендованных изготовителем моторных масел. Регулярная проверка зазоров обеспечит надежную работу ГРМ и снизит риск поломки впускного либо выпускного клапана.

А как часто вы проверяете ГРМ на работоспособность и ошибки в работе впускного клапана? Поделитесь опытом с другими автовладельцами в комментариях. Сохраните полезный материал в закладках, чтобы в любое время иметь к нему доступ.