что находится внутри клапана двигателя
Впускные и выпускные клапаны на бензиновом и дизельном двигателе симптомы и причины выхода из строя
Клапаны двигателя — одна из важнейших механических частей бензиновых и дизельных двигателей. Как распознать неисправность клапана? Какие симптомы? Сколько стоит ремонт?
Клапаны двигателя изготовлены из очень прочной стали, устойчивой к температурам, достигающим нескольких сотен градусов по Цельсию. Клапан двигателя полностью литой. В нем два элемента — шток (шток клапана) и диск с круглой «головкой». На штоке клапана установлено уплотнение клапана для защиты цилиндра от попадания в него моторного масла.
Клапаны являются частью системы газораспределения, используемой в бензиновых и дизельных двигателях.
Система ГРМ работает в головке блока цилиндров. За что отвечает система хронометража?
• В двигателях с непосредственным впрыском топлива (дизельные двигатели с Common Rail, а также бензиновые двигатели TCe, TwinAir, Ecoboost и других типов) контролирует подачу свежего воздуха в отдельные цилиндры, а также удаление выхлопных газов из цилиндры.
• В двигателях с непрямым впрыском топлива (например, многоточечный MPI в бензиновых двигателях) он регулирует приток топливовоздушной смеси, а также удаление выхлопных газов из цилиндров.
Современные двигатели — это верхние клапаны. Таким образом, головка с системой газораспределения расположена над блоком двигателя. Клапаны установлены над каждым цилиндром. Используются два типа клапанов:
• Впускные клапаны, также известные как впускные клапаны — контролируют воздух или топливно-воздушную смесь.
• Выпускные клапаны — при открытии они позволяют выхлопным газам выходить из камер сгорания.
Впускные клапаны имеют заглушки большего размера. В свою очередь выхлопные трубы более устойчивы к высоким температурам. Во время работы выход нагревается до 550 градусов С, а выход даже до 700 градусов С. Нижняя часть клапанов нагревается от процессов сгорания топливовоздушной смеси, происходящих в цилиндрах. Выхлопные клапаны также нагреваются от горячего выхлопного газа.
Работа системы газораспределения тесно синхронизирована с работой коленчатого вала. Привод ГРМ заботится о правильной синхронизации. Это может быть цепь или ремень ГРМ, в зависимости от используемого раствора. Ремень или цепь приводят в движение распределительный вал или два распределительных вала, которые, в свою очередь, посредством кулачков или толкателей открывают и закрывают впускные и выпускные клапаны конкретного цилиндра с точно определенным положением коленчатого вала.
Время и момент открытия клапана также изменяются системами изменения фаз газораспределения (можно регулировать давлением масла в двигателе).
Над одним цилиндром может быть три седла клапана (два впускных и одна выпускная система), четыре (два впускных и два выпускных) или пять (три впускных и два выпускных) клапана. Самая популярная система два плюс два с четырехцилиндровым двигателем — 16V (шестнадцать клапанов).
Клапаны изнашиваются в результате продолжительной работы при очень высоких температурах. На их долговечность также может влиять качество материалов, используемых в производстве.
Клапаны могут подвергаться износу, повреждению в результате поломки привода ГРМ, отложений на них или в результате поломки привода ГРМ. Давайте посмотрим на типичные отказы клапанов.
• Изношенный шток (шток клапана). Возникает при большом пробеге (более 250 000 км) из-за износа.
Симптомы износа штока клапана (износ штока клапана): большой расход моторного масла (двигатель забирает масло), сгорание моторного масла (изменение цвета выхлопных газов), запах сгоревшего моторного масла в выхлопных газах, потеря мощности двигателя.
Ремонт: замена клапанов на новые.
• Износ плунжера клапана (точнее, лица клапана), который должен плотно прилегать к отверстию в головке двигателя и плотно его закрывать.
Симптомы изношенной плунжера клапана: пропадание мощности, проблемы с запуском двигателя.
Как проверить? Измерьте компрессию на каждом цилиндре.
Ремонт: замена клапанов на новые.
• Отложение нагара на впускных клапанах из-за использования некачественного моторного масла, продолжительной езды на низких оборотах (например, при экологическом вождении), из-за перегрева двигателя и т. Д. Ускоряет износ клапанов.
Симптомы: потеря динамики.
Ремонт: очистка клапанов специальными препаратами. Обменять на новый.
• Клапаны погнуты из-за поломки привода ГРМ. Это результат обрыва ремня ГРМ или цепи ГРМ, потери синхронизации и столкновения поршней с клапанами.
Симптомы: установка не работает, шум, дым.
Ремонт: капитальный ремонт двигателя или замена двигателя на новый.
Замена клапанов — сложная и дорогостоящая операция.
Необходимо разобрать головку двигателя (ранее всю проводку и систему зажигания на бензиновых автомобилях), привод ГРМ и сам ГРМ (например, толкатели). Необходимо использовать новые клапаны, новый привод ГРМ (и сопутствующие элементы: водяной насос, шкивы и др.), Прокладку головки, прокладку клапанной крышки, новое моторное масло с фильтром и охлаждающей жидкостью.
Как устроен газораспределительный механизм
Одной из важнейших систем автомобиля с двигателем внутреннего сгорания является газораспределительный механизм (сокр. ГРМ). Именно он отвечает за своевременный впрыск топлива и выпуск отработавших газов. Разумеется, автомобильные концерны не раз экспериментировали с данной системой и реализовывали различные схемы, однако общее число ее комплектующих оставалось примерно одинаковым. В данном материале Avto.pro разберется в принципе работы ГРМ, его устройстве и наиболее часто встречающихся неисправностях.
В тандеме с ГРМ работает пара валов: коленчатый и распределительный. Они должны двигаться синхронно, что гарантирует своевременное открытие и закрытие т.н. впускных и выпускных клапанов на некоторый промежуток времени. Нет смысла рассматривать работу механизма, не изучив рабочий цикл двигателя. Вот как это реализовано технически:
1. Посредством привода крутящий момент передается от коленчатого вала к распределительному;
2. Кулачок распределительного вала входит в контакт с толкателем и нажимает на него;
3. Одновременно с этим клапан начинает свое перемещение внутрь камеры сгорания, давая топливовоздушной смеси проникнуть внутрь или же выйти отработавшим газам;
4. Кулачок прекращает нажимать на толкатель и пружина возвращает клапан на место.
На протяжении одного рабочего цикла происходит попеременное открытие клапанов в каждом из цилиндров. Порядок открытия зависит от схемы работы и типа двигателя. К примеру, если реализована схема 1-3-4-2, то одновременно будут открыты впускные клапаны в первом цилиндре, а в четвертом только выпускные, тем временем как во втором и третьем клапаны продолжать перекрывать цилиндры.
Подробнее об устройстве механизма
Основные элементы ГРМ выполнены из закаленной стали или же чугуна. Выделяет лишь ремень привода, который ранее изготавливался из хлоропренового каучука, а сегодня из синтетического каучука или других смесей с синтетической основой. К элементам газораспределительного механизма относят:
— Распределительный вал;
— Привод;
— Штанги;
— Толкатели;
— Клапаны;
— Коромысла (рокеры);
— Опционально: гидрокомпенсаторы.
Ранее мы рассказали автолюбителям об особенностях распределительных валов в данном материале. Рекомендуем изучит его, если вы хотите лучше разобраться в тонкостях устройства двигателя внутреннего сгорания. Если вкратце, то именно вращение распределительного определяет моменты открытия и закрытия клапанов. Вал имеет опорные шейки и кулачки. Форма последних сильно влияет на работу ГРМ, а истирание кулачков может привести к нарушению работоспособности двигателя. На торце распредвала может увидеть звездочку для цепи привода или шкив, на который одевается приводной ремень. Сам вал надежно фиксируется на подшипниках и имеет дополнительный упорный фланец.
Вращение распределительному валу передает коленчатый вал через промежуточный элемент, называемый приводом. Он бывает шестеренчатым (не слишком распространен), ременным и цепным. Заметьте, что распредвал вращается с вдвое меньшей скоростью, чем коленвал. Это возможно благодаря геометрии звездочки или шкива (передаточное число удваивается). Привод ГРМ нуждается в регулярном обслуживании и замене цепи/ремня, который иногда относят к категории автомобильных расходников. Во внимании также нуждаются натяжные ролики/натяжители цепи («башмаки»). Данный привод может передавать момент водяной помпе, топливному насосу высокого давления.
Одними из важнейших элементов газораспределительного механизма принято считать клапаны. Они делятся на 2 типа: впускные, выпускные. Впускные клапаны отвечают за впуск топливовоздушной смеси, а выпускные, напротив, способствуют выпуску отработавших газов. Стандартный клапан состоит из стержня и головки с кромкой под 45° (способствует лучшему прилеганию). Выпускной клапан крупнее впускного, что обусловлено большим объемом выпускаемых газов. Отличается не только геометрия клапанов, но и материалы изготовления. Выпускные клапаны выполнены из жаропрочной стали, а впускные из обычной стали с хромистым покрытием.
Тандем толкатель-штанга-коромысло отвечает за передачу усилия от кулачков распредвала к клапанам. Сначала усилие передается стальному или чугунному толкателю. Он может относиться к одному из трех видов: грибовидному, роликовому или цилиндрическому. Толкатель совершает линейные движения внутри специального корпуса или по направляющим. Далее усилие передается штанге. Обычно это полый цилиндр из алюминия со стальным наконечником. Наконец, усилие от штанги передается коромыслу – рычагу с парой разных по длине плеч, который фиксируется на оси при помощи втулок.
Вариантов компоновки газораспределительного механизма и числа его комплектующих несколько. Концерн выбирает ту компоновку, которая лучше соответствует конструкции двигателя, а также возможным условиям эксплуатации. ГРМ классифицируют по 4 признакам. Среди них:
— Расположение распредвала. Выделяют ГРМ с верхним и нижним положением;
— Число распределительных валов. В случае двигателей SOHC вал один, а в DOHC их два;
— Число клапанов;
— Тип привода.
В современных реалиях большая часть моторов являются верхневальными, так что выделять отдельную категорию ГРМ с нижним расположением распредвала нет смысла – моделей транспорта с подобными агрегатами не очень много. Однако и они делятся на три вида, причем два из них уже вышли из употребления. Речь идет:
— Двигателе с нижним расположением клапанов в блоке цилиндров. Сегодня не выпускаются;
— Двигателе со впускными клапанами в ГБЦ и выпускными клапанами в БЦ (смешанные). Производились до 70-х годов прошлого века;
— Двигателе с клапанами в ГБЦ. Устанавливаются на некоторые грузовики и тяжелую технику.
При описании признаков ГРМ для классификации положение распредвалов и их число нередко считают единым признаком. Дело в том, что именно двигатели с верхним положением распредвала подразделяются на DOHC и SOHC – с одним или двумя распредвалами соответственно. В нынешних реалиях наиболее распространенной схемой построения силового агрегата является DOHC. Также существуют схемы со специфическим газораспределительным механизмом, не предусматривающим использованием пружин клапанов. Инженеры считают данную конструкцию весьма перспективной, хотя и не лишенной недостатков. Давайте разберемся.
Классические газораспределительные механизмы страдают от инерционности клапанов и склонности пружин к колебанию. Эта проблема проявляется тем сильнее, чем выше частота вращения распредвала. Клапаны могут не закрываться вовремя или закрываться, ударяясь о седло. В некоторых случая тарелка отскакивает от седла, что приводит к прорыванию топливовоздушной смеси и ее преждевременному возгоранию, перегреву клапанов или даже их прогоранию. В случае десмодромного ГРМ подобных проблем не наблюдается. Но есть другие недостатки:
— Детали конструкции сложны в изготовлении;
— Механизм довольно шумен;
— Обслуживание такого ГРМ требует больших временных и денежных затрат.
В прошлом именно с десмодродромного газораспределительного механизма начинал немецкий Daimler. Существенно доработать, повысить надежность и пустить в массовое производство данных механизм смог итальянский Ducati. Можно сказать, что десмодромный ГРМ является одной из визитных карточек концерна. Добавим, что итальянские инженеры представили миру множество интересных решений для авто- и мотопромышленности, однако практически все они нуждаются в доработке.
Дальнейшее распространение десмодромных механизмов находится под вопросом. Автоконцерны продолжают экспериментировать и нашли несколько вариантов решения проблемы «зависания» клапанов. Первый: применение сразу 2 или 3 пружин для предотвращения колебаний клапанов. Второй: использование легких сплавов для изготовления клапанов и пружин, благодаря которым резонансные колебания изделий не будут сильно влиять на работу двигателя. Третий: внедрение системы пневматического привода клапанов, как это уже сделано на некоторых спортивных автомобилях.
Неисправности газораспределительных механизмов
В предыдущем разделе мы уже затронули проблему «зависания» клапанов. Это классическая неисправность 99% автомобильных ГРМ. Механизм сложно назвать привередливым, однако он нуждается в периодическом обслуживании и замене отдельных комплектующих. К основным его неисправностям обычно относят:
— Нарушение тепловых зазоров. Наблюдается на всех двигателях, однако в случае агрегатов с гидрокомпенсаторами причина нарушение кроется именно в них;
— Снижение упругости пружин клапанов. Вызвано старением материалов;
— Износ шкива/звездочки привода. Вызвано старением материалов, ударными нагрузками;
— Износ или прогорание клапанов, направляющих втулок. Старение, нагрузки, использование некачественного топлива, масла, износ уплотнителей;
— Износ кулачков распредвала, подшипников. Старение, нагрузки, использование некачественного масла, засорение масляной системы.
Еще одним классическим признаком неисправности ГРМ является появление нагара на клапанах. Причин несколько: попадание смазочного материала на клапан (замените маслосъемные колпачки), использование низкокачественного топлива, проблемы в работе EGR (считайте коды ошибок и проверьте клапан). По ходу эксплуатации двигателя на клапанах рано или поздно появиться нагар, однако в случае исправной работы агрегата и смежных систем подобная неисправность не переходит в терминальную стадию. О наступлении последней свидетельствует:
— Появление хорошо ощутимых стуков при работе механизма;
— Нестабильность холостых оборотов;
— Повышение токсичности выхлопа и изменение его цвета;
— Существенная потеря мощности двигателя;
— Появление рывков при попытке быстро разогнаться;
— Выход из строя одного или нескольких цилиндров;
— Частые детонации топлива;
— Перегрев двигателя.
Диагностика газораспределительного механизма предусматривает следующее: оценка остаточного ресурса цепи/ремня привода; проверку общего состояния клапанов, их герметичности; проверку состояния пружин клапанов; проверку гидрокомпенсаторов (если они имеются); проверку состояние распределительного вала. Также грамотный специалист должен убедиться в исправности масляной системы, отсутствии загрязнений, примерно оценить ресурс масла и масляного фильтра. Некоторые элементы ГРМ, как-то гидрокомпенсаторы, являются условно ремонтопригодными. Однако клапаны, ремни, шкивы, подшипники валов и прочие детали необходимо менять в случае обнаружения сильного износа, наличия серьезных механических повреждений, выработки и т.д.
Поиск запчастей для ремонта
Подобрать комплектующие для ремонта газораспределительного несложно, если автолюбитель будет следовать простому алгоритму. Сразу отметим, что детали с разных механизмов в подавляющем большинстве случаев не являются взаимозаменяемыми, так что водителю важно узнать все об их применяемости, а уже потом совершать покупку. Искать клапаны, коромысла, валы и остальные детали можно по:
— Каталожным номерам;
— Параметрам автомобиля и двигателя (включая тип, модель).
Проще всего вести поиск по каталожному номеру, однако обычно автолюбитель не может его узнать без снятия детали, ведь обычно код выгравирован на ее поверхности. В некоторых случаях код даже не наносится на изделие. Настоящим спасением может стать поиск по техническим параметрам автомобиля. Советуем перейти в каталог Avto.pro, выбрать нужную марку и модель автомобиля, а затем приступить к поиску запчастей из нужной категории или попросту ввести название требующейся детали. В результаты поиска попадут не только оригинальные комплектующие, но и совместимые с указанным автомобилем аналоги. Если требуется замена ремня, то стоит обратить внимание на продукцию таких фирм:
Особенно внимательным стоит быть покупке неоригинальных клапанов. Важен не только материал их изготовления (не всегда указан в характеристиках), но и конструкция головки, угол седла, конструкция замка пружины, вес и качество полировки. В характеристиках обязательно должен быть указан зазор. Клапаны достойного качества предлагают такие фирмы:
Коромысла и толкатели достойного качества выпускаются вышеуказанными фирмами. Как показала практика, продукцию упаковщиков нижнего звена, как-то SWAG, брать не стоит. Ее качество крайне нестабильно и в одном случае покупатель получит хорошую запчасть, а вот в другом ситуация окажется обратной. Если вы находитесь в поиске новых гидрокомпенсаторов, то рекомендуем ознакомиться с данным материалом. Напоминаем, что работоспособность компенсаторов иногда удается восстановить.
ГРМ является одним из важнейших элементов автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. В случае его неисправности силовой агрегат перестанет работать в нормальном режиме, а езда не только менее комфортной, но и небезопасной. К счастью, основные элемента механизма имеют большой эксплуатационный ресурс, так что на протяжении всего периода пользования автомобилем водитель может столкнуться лишь с проблемой замены ремня/цепи и натяжителя. Чтобы избежать проблем с газораспределительным механизмов вам стоит использовать только качественное моторное масло, заправляться топливом с проверенной АЗС, а также вовремя менять расходники.
Мат.часть Механизмы привода клапанов
Система привода клапанов газораспределительного механизма
В зависимости от расположения клапанов относительно цилиндров двигатели делятся на верхнеклапанные (с их расположением в головке цилиндров) и нижнеклапанные. Для отечественных автомобилей нижнеклапанные двигатели применялись в моделях 1940-60 гг.
Их основные недостатки: меньший коэффициент наполнения, ограниченная степень сжатия.
У верхнеклапанных автомобильных двигателей с номинальной частотой вращения до 5000-5500 об/мин распределительный вал устанавливался в блоке цилиндров (нижнее расположение) или в картере в развале между цилиндрами. Привод клапанов производился толкателями, штангами и коромыслами.
Недостаток такого привода: повышенная масса поступательно движущихся частей, возникновение колебаний в системе привода. Все это ограничивало максимально допустимую частоту вращения. Поэтому распределительные валы современных высокооборотных двигателей легковых автомобилей располагаются в головках цилиндров. Привод распределительного вала (или двух, а иногда и четырех валов и пяти) осуществляется шестернями, цепью, зубчатым ремнем.
Привод шестернями применяется преимущественно в старых моделях двигателей при расположении распределительного вала в блоке цилиндров или в двигателях с V-образным расположением цилиндров.
Основные недостатки: усложнение конструкции, увеличение момента инерции, высокий уровень шума, особенно после большого пробега. Для снижения уровня шума шестерню распределительного вала выполняют из пластмассы. Зацепление делается с косым зубом и по возможности с малым модулем.
На большинстве автомобильных двигателей используется привод одной или несколькими однорядными или двухрядными втулочно-роликовыми цепями или зубчатыми ремнями. Привод цепью более надежный, хотя и несколько более шумный, чем привод зубатым ремнем. Конструкция двигателя с приводом зубчатым ремнем упрощается, т.к. не требуется смазки и появляется возможность использования его для привода внешних агрегатов (насоса охлаждающей жидкости, генератора компрессора кондиционера и др.). Несмотря на использование в зубчатых ремнях синтетических материалов со стекловолоконным или проволочным кордом, недостатком привода зубчатым ремнем, является необходимость менять ремни через заданный пробег (обычно 50-100 тыс. км). При износе сальника распределительного вала масло попадает на зубчатый ремень, что приводит к его выходу из строя. Кроме того, бывают случаи обрыва ремня из-за попадания в привод посторонних предметов.
Системы привода распределительного вала (валов) зубчатым ремнем или цепью оснащаются натяжителем с механическим или гидравлическим приводом для компенсации производственных отклонений и износа в процессе эксплуатации. Натяжители цепей выполняются в виде пластмассового башмака или с натяжными звездочками или роликами. С цепью предотвращения колебаний на участках ведущих участков цепи устанавливаются успокоители, как правило, из пластмассы.
В зависимости от количества клапанов и их расположения выбирается конструкция системы привода. При однорядном параллельном расположении клапанов их привод осуществляется непосредственно через толкатель, либо рычаг (рокер). При двухрядном расположении клапанов и одном распределительном вале привод клапанов выполняется обычно при помощи коромысел. Для повышения наполнения в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала двигатели оснащаются системами с изменяемыми фазами газораспределения (в основном с изменением фаз впускного клапана).
Существуют следующие способы изменения фаз газораспределения:
Система управления газораспределением с изменением длины набегающей ветви ремня: 1,4 — зубчатые шестерни; 2 — зубчатые звездочки; 3 — зубчатый ремень с натяжной звездочкой, изменяющей длину ведущего участка цепи
— при помощи муфты с винтовыми шлицами или зубьями, связанной с ведомой звездочкой распределительного вала;
— при помощи муфты с роторным механизмом, поворачивающим распределительный вал относительно ведомой звездочки;
— трехрокерным механизмом (Honda), позволяющим изменять продолжительность открытия клапана, с отключаемым рокером.
Существуют механизмы для изменения высоты подъема клапана. Оригинальный механизм привода создан фирмой БМВ у 4-х и 8-ми цилиндровых двигателей для регулирования фаз газораспределения, высоты подъема впускных клапанов, а также длины впускных каналов.
Схема управления фазами газораспределения, высотой подъема впускных клапанов и длиной впускных каналов на двигателе BMW Walvetronic
При повороте электромотором эксцентрикового вала изменяется угол наклона нижней рабочей поверхности промежуточного рычага. При набегании кулачка на средний ролик этого рычага изменяется ход рокера и соответственно, ход клапана. Снижение наполнения цилиндров и соответственно, мощности двигателя, достигается уменьшением высоты подъема впускных клапанов от 9,7 мм до необходимой величины (0,5-2,0 мм на малых нагрузках и холостом ходу). При малой высоте подъема клапана, кроме снижения потерь на газообмен, повышаются скорости прохождения смеси через клапанную щель до критических. Это улучшает смесеобразование, снижаются механические потери на привод клапанного механизма, шум двигателя, износ деталей. В случае регулирования мощности высотой подъема клапана нет затрат времени на заполнение ресивера и впускных патрубков, а соответственно, ошибок в показаниях датчика расхода воздуха в начальный период разгона автомобиля. Время срабатывания механизма — 300 мс. Получаемый эффект по экономии расхода топлива достигает 14%, кроме того, удается обеспечить выполнение перспективных норм токсичности Евро-4. Существенно улучшаются и динамические качества автомобиля.
Профиль кулачка и величина теплового зазора для предотвращения стука выбираются таким образом, чтобы момент касания кулачка толкателя или рычага привода при любом тепловом режиме соответствовал зоне минимальных ускорении. На тихоходных двигателях профиль кулачка выполнялся по двум или трем дугам окружности. Для современных быстроходных двигателей существуют методики выбора безударного профиля кулачка с учетом обеспечения надежной работы газораспределительного механизма при максимальных частотах вращения. В некоторых двигателях кулачки распредвалов делаются с несимметричным профилем.
Клапанные пружины выбираются расчетом так, чтобы в зоне отрицательных ускорений обеспечивали необходимый запас суммарных усилий пружин для безопасной работы клапанного механизма. Стремление повысить мощностные показатели двигателей ограничивалось возможностями привода клапанного механизма. Для расширения этих возможностей требовалось увеличение усилия клапанных пружин, что приводило к повышенному износу пар трения и увеличению механических потерь. Кроме того, в результате резонансных явлений в клапанных пружинах нарушалась работа всего механизма.
После посадки в седло клапан один или два раза подпрыгивает, что резко снижает наполнение цилиндров. Для смещения зоны резонансных колебаний пружины в сторону повышенных частот вращения они выполняются с переменным шагом или внутри основной пружины устанавливается пружина из плоской ленты, выполняющая функцию демпфера. Чтобы обеспечить работу системы газораспределения без клапанных пружин, разработаны различные варианты систем принудительного открытия и закрытия клапанов, так называемые десмодромные механизмы. Открытие и закрытие клапана производится со значительно большими ускорениями, что позволяет значительно увеличить «время-сечение» открытого состояния клапана и, следовательно, повысить наполнение на высоких частотах вращения. При работе десмодромного механизма двигателя Mercedes-Benz на режиме 10 ООО об./мин максимальные положительные ускорения клапана достигают значений 17 ООО м/с2, а отрицательные — 8000 м/с2, что в пять-девять раз больше
Десмодромный механизм газораспределения двигателя Mercedes-Benz тина GP:
соответствующих ускорений у обычных газораспределительных механизмов. Существуют и другие варианты десмодромных механизмов. Основной проблемой при создании этих механизмов является обеспечение компенсации зазоров, образующихся при износе, что ограничивает применение их для автомобилей массового производства.
Регулирование теплового зазора.
В системе привода клапана должен сохраняться так называемый тепловой зазор. При максимальной мощности температура выпускного клапана доходит до 750-850 «С, в то время как температура остальных деталей головки цилиндра двигателей с жидкостным охлаждением не превышает 100-120 °С. Стержень клапана удлиняется на большую величину, чем остальные детали головки, при этом тепловой зазор уменьшается. Если при перегреве клапана (например, из за позднего зажигания), износе седла и фаски клапана или неправильной регулировке зазора нарушится герметичность и прижатие клапана к седлу, то произойдет прогар клапана. Профиль кулачка и величина теплового зазора для предотвращения стука выбираются таким образом, что бы момент касания кулачка толкателя или рычага привода при любом тепловом режиме соответствовал зоне минимальных ускорений.
На практике тепловой зазор двигателей с жидкостным охлаждением определяется при помощи плоского щупа. При этом приходится учитывать конструктивные особенности двигателя, износ контактирующих поверхностей и др. Наименьшую массу поступательно движущихся частей удается добиться в приводе клапана от кулачка непосредственно через толкатель. В этом случае регулирование теплового зазора осуществляется путем замены цилиндрических вставок для всех клапанов. При износе контактных поверхностей фактический тепловой зазор получается больше замеренного плоским щупом. Поэтому наиболее точным способом является замер зазора специальным приспособлением с использованием индикатора.
Для исключения необходимости проверки и реагирования теплового зазора, а также предотвращения прогара клапана при износе седел и фасок клапанов большинство современных двигателей оборудуются системой автоматического регулировании теплового зазора. В случае привода клапана при помощи рычага в его опоре делается гидравлический регулируемый элемент. В двигателях с приводом через толкатель его выполняют с гидравлическим компенсатором теплового зазора (гидротолкатель). Гидротолкатели применяются на двигателях с нижним расположением распредвала со штанговым приводом и на двигателях с непосредственным приводом от распределительного вала. Масло из системы смазки подается сначала во внутреннюю полость толкателя, а затем через шариковый или пластинчатый клапан во внутреннюю полость между наружным и внутренним плунжером. Под давлением масла толкатель прижимается к кулачку. При набегании кулачка на толкатель внутри плунжерной пары создастся высокое давление, обеспечивая открытие клапана. После длительной остановки двигателя масло из гидротолкателя открытого клапана вытекает, что после пуска приводит к стуку клапанов в течение нескольких секунд. При сильном износе плунжерных пар в гидравлических толкателях или упорах рычага привода время работы со стуком клапанов увеличивается. В случае попадания в масло воздуха (при вспенивании масла) находящийся внутри толкателя воздух выдавливается и не нарушает работу толкателя.
В двигателях с приводом клапана при помощи рычага автоматическое реагирование теплового зазора осуществляется гидравлическим упором. Принцип его работы аналогичен гидротолкателю. Масто из системы смазки заполняет внутреннюю полость гидравлического упора, прижимая рычаг к кулачку. При применении гидротолкателей или гидравлических упоров тепловой зазор достигается за счет незначительной утечки масла через зазор плунжерной пары. В системах газораспределения с гидротолкателями или гидравлическими упорами требуется применение масел с высокой степенью очистки и с пологими температурными кривыми вязкости.
Система привода клапанов газораспределительного механизма
Впускные клапаны. Массовое наполнение двигателя зависит от величин проходного сечения, открываемого клапаном и продолжительности открытия. Площадь впускного отверстия равна площади конической поверхности, расположенной между тарелкой клапана и его седлом. Эта площадь пропорциональна диаметру опорной поверхности клапана, высоте подъема клапана и зависит от угла фаски клапана. Большинство клапанов выполняется с углом фаски 45градусов. Для форсированных двигателей угол фаски иногда выполняется равным 30градусам. При меньшем угле фаски площадь впускного отверстая увеличивается. Однако при этом уменьшается жесткость тарелки, что может привести к колебаниям клапана и нарушению процесса впуска. Для облегчения клапанов их иногда выполняют тюльпанообразной формы. При выборе высоты подъема клапана приходится учитывать ряд факторов. Прежде всего, высота подъема ограничивается ростом инерционных сил, выбором соответствующего усилия клапанных пружин и связанным с этим износом пары клапан-толкатель. По мере увеличения подъема на суммарное сопротивление потоку смеси все большее влияние оказывает отверстие седла клапана. Слишком большой подъем клапана бесполезен, т.к. площадь отверстия седла клапана оказывается меньше проходного сечения конической поверхности клапана и уже она определяет прохождение смеси. Диаметр тарелки клапана ограничивается его расположением в камере сгорания, конструкцией головки цилиндра, диаметром цилиндра. Увеличение числа впускных клапанов позволяет добиться наибольшего эффекта по наполнению. Большинство современных двигателей легковых автомобилей имеют по два впускных клапана, но встречаются двигатели и с тремя впускными клапанами. Это обеспечивает существенное увеличение суммарного проходного сечения. Дополнительно улучшения наполнения удается достигнуть при наклонной установке всех четырех клапанов (два впускных и два выпускных) в полусферической камере сгорания. На процесс впуска существенное влияние оказывают динамические явления во впускных каналах. Наполнение двигателя можно увеличить за счет выбора оптимальной величины запаздывания закрытия впускного после НМТ, находящейся в пределах от 55 до 85 градусов поворота коленчатого вала. Но время впуска поток смеси (или воздуха в двигателях с впрыском топлива) двигается с высокой скоростью (до 50 м/с). Созданная при этом инерция потока смеси обеспечивает поступление смеси и при движении поршня вверх после прохождения НМТ. Это так называемая дозарядка цилиндра, зависящая от длины впускного канала, его сечения, времени-сечения открытия впускного клапана после НМТ. Чем выше частота вращения, тем больше эффективность от дозарядки (инерционного наддува). При этом коэффициент наполнения (отношение фактически поступившего воздуха в цилиндр к теоретически возможному) может быть больше единицы. Но при малой частоте вращения из-за малой скорости смеси происходит обратный выброс смеси из цилиндра во впускной канал. Этот фактор является одной из важных причин снижения наполнения, а следовательно, и крутящего момента при снижении час- тоты вращения.
Впуск происходит под действием разрежения в цилиндре, а начало выпуска под действием значительно большего давления в цилиндре, поэтому выпускные клапаны выполняются всегда меньшего диаметра, чем впускные. Температура клапана при оптимальных углах опережения зажигания и составах смеси доходит до 950 градусов С. При снижении углов опережения зажигания, применении топлива с меньшей скоростью сгорания. Нарушении герметичности клапана и ряде других факторов перегрев клапана прогрессирует, что может вызывать его прогар. Слишком раннее открытие выпускного клапана (до 70 градусов до НМТ) при низкой частоте вращения коленчатого вала приводит к потере площади индикаторной диаграммы в конце рабочего хода, снижению крутящего момента, перегреву выпускных клапанов и повышению требований к октановому числу топлива.
Для снижения температуры выпускного клапана с целью повышения надежности и уменьшения требований к октановому числу топлива существуют следующие способы.
1. Применение двух клапанов меньшего диаметра вместо одного.
2. Применение натриевого охлаждения путем выполнения клапана с полостью в тарелке и стержне и частичного заполнения ее натрием. При нагреве натрий плавится и, передавая тепло от тарелки в стержень, способствует ее охлаждению.
3. Применение двойного последовательного выпуска отработавших газов (через окна в нижней части цилиндра, а затем через клапан)