Клапанный механизм занимает важное место в функционировании современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и является составной частью газораспределительного механизма (ГРМ). Его основная задача заключается в обеспечении газообмена между камерами сгорания и внешними системами, а также в приготовлении необходимой рабочей смеси. Данная статья посвящена устройству этой системы в современных моторах, роли клапанов в ней, а также их особенностям, типам и процессам ремонта.
- Клапаны двигателя играют ключевую роль в процессе впуска и выпуска газов.
- Существуют два основных типа клапанов: впускные и выпускные.
- Клапаны открываются и закрываются с помощью рычажной системы или гидравлических механизмов.
- Эффективная работа клапанов влияет на мощность, экономию топлива и выбросы загрязняющих веществ.
- Проблемы с клапанами могут привести к снижению производительности и поломкам двигателя.
- Регулярное обслуживание и проверка состояния клапанов необходимы для нормальной работы двигателя.
Клапан двигателя — это
Клапаны мотора выполняют функцию управления поступлением рабочей смеси в двигатель и её выводом из него (под рабочей смесью понимается газ, который расширяется при нагревании, общий термин в термодинамике). Грубо говоря, клапаны отвечают за своевременный впуск рабочей смеси в цилиндры и выведение отработанных газов, очищая камеру сгорания.
Наиболее распространённый тип рабочего клапана в ДВС — это тарельчатый, однако существуют и другие варьирования. Главными частями подобного устройства являются стержень и головка (также называемая «нижней тарелкой»). Чем более плавный переход от головки к стержню, тем лучше осуществляется очистка камеры сгорания.
Клапанный механизм ДВС
Клапанный механизм является наиболее важным элементом газораспределительной системы (ГРМ). К его функциям относятся:
- Обеспечение своевременного поступления рабочей смеси, состоящей из воздуха и горючего, в камеру сгорания для дальнейшего использования в процессах двигателя.
- Вывод отработанных, то есть выхлопных, газов для их последующего удаления.
Тарельчатые клапаны играют ключевую роль, обеспечивая герметичность камеры сгорания. Проблемы с их работой могут привести к серьёзным неисправностям, что делает эксплуатацию автомобиля невозможной.
Назначение и особенности устройства
Каждый клапан состоит из двух основных компонентов – стержня и головки. Головка является частью, которая закрывает выходное или впускное отверстие. Стержень плавно соединяется с головкой, передавая энергию от распределительного вала, что и приводит в действие газораспределительный механизм.
Виды
Существуют следующие типы клапанов в зависимости от их назначения:
- Впускные — предназначены для ввода рабочей смеси в камеру сгорания.
- Выпускные — выводят отработанные газы.
Пример прогоревшего клапана
Основная задача клапана – обеспечить герметичность, что делает его устойчивым к высоким нагрузкам.
Особенности прочности выпускных клапанов обусловлены тем, что горячие выхлопные газы создают сильное избыточное давление и высокую температуру (до 700 градусов в дизельных и до 900 в бензиновых двигателях).
ГБЦ с двумя и тремя клапанами на цилиндр
К выпускным клапанам предъявляются строгие требования по прочности. Их головка изготавливается из жаропрочных металлов, а стержень — из высокоуглеродистой стали. Места контакта с цилиндром покрыты жаростойким сплавом толщиной до 2,5 мм для предотвращения коррозии от постоянного воздействия высоких температур.
Впускные клапаны испытывают менее значительные температурные колебания, поскольку часть тепла от топлива отправляется в цилиндры. Поэтому для их производства можно использовать стали с низким углеродом, такие как хромовые или никелевые.
Форма и фаска
Форма головки клапана обычно плоская, но это не самый оптимальный вариант с динамической точки зрения. Плоские головки доступны в производстве и относительно недорогие. Однако на высокопроизводительных моторах (например, в гоночных автомобилях) используют выпуклые формы впускных клапанов.
Головка клапана стыкуется с лицевой частью блока цилиндров по специальной фаске – ободку не менее 0,8 мм. Если фаска сделана на заводе, то дальнейшая доработка не требуется. В условиях гаража клапан необходимо подгонять. Важно, чтобы по всему диаметру не было «пробелов». Плохое качество фаски может привести к утечкам, потере мощности и другим проблемам с работой двигателя.
Конструкция клапанного механизма ДВС
Клапан составляет только часть клапанной группы. Для надлежащей работы двигателя необходимо минимум два клапана – впускной и выпускной. Однако в большинстве двигателей их оказывается больше.
Клапанный узел включает в себя различные ключевые детали.
- Впускных и выпускных клапанов; обычно впускной клапан имеет больший диаметр для эффективного ввода смеси в рабочее пространство.
- Втулок, в которых движутся клапаны, что обеспечивает их ровное вертикальное движение.
- Пружин, возвращающих клапан в исходное положение.
- Седел, соединяющих нижнюю тарелку с боковой частью цилиндров, хотя они непосредственно не относятся к клапанному механизму.
- Сухарей, которые фиксируют стержень клапана и верхнюю тарелку.
- Толкателей, передающих движение от кулачков распределительного вала; они толкают клапан, после чего пружина возвращает его обратно.
- Маслоотражающих колец, которые препятствуют попаданию масла в цилиндры.
- Верхних тарелок, служащих защитными элементами.
Клапаны двигателя являются одной из ключевых компонентов, влияющих на его работу и эффективность. Они отвечают за поступление топливовоздушной смеси в цилиндры и выход отработанных газов. Качество и точность их работы напрямую влияют на мощность, экономичность и уровень выбросов. При проектировании клапанов учитываются различные параметры, такие как форма, размер и материал, что позволяет оптимизировать их работу в определённых условиях.
Я также обращаю внимание на то, что клапаны могут быть как впускными, так и выпускными. Впускные клапаны, как правило, имеют большую площадь сечения, чтобы обеспечить максимальный приток смеси, тогда как выпускные клапаны должны обеспечивать быстрый вывод отработанных газов. Важно понимать, что каждое изменение в конструкции клапанов может существенно повлиять на характеристики двигателя, поэтому инженеры постоянно работают над улучшением их производительности.
Нельзя забывать и о таких аспектах, как износ клапанов и их седел. На протяжении срока службы двигателя клапаны подвергаются значительной нагрузке и температурным воздействиям, что может привести к ухудшению их состояния. Профилактика и регулярная диагностика состояния клапанов играют важную роль в поддержании высокой производительности двигателя и его надежности. Качественный техобслуживание и использование хороших масел могут значительно увеличить срок службы этих компонентов.
Энергия передаётся на клапан через кулачки от вращающегося распределительного вала мотора.
Пружины
Пружина клапанного механизма функционирует под большим давлением. Она должна обеспечивать надёжное прилегание клапана к фаске головки блока цилиндров. Однако пружины ломаются чаще других компонентов механизма, так как могут возникать резонансы. Для минимизации таких явлений производители применяют различные методы:
- Внутри пружины устанавливают вторую пружину с обратным витком.
- Витки делают неравномерными по ширине.
- Пружина изготавливается в форме конуса.
Эти изделия производят из закалённой стали, используя прочные проволоки. Чтобы предотвратить коррозию, их обрабатывают кадмием или оксидом цинка. Концы элементов шлифуются в ровную плоскость с тарелками для облегчения их монтажа.
Направляющие втулки
Втулки служат для скольжения клапанов в вертикальной плоскости. При возвратном движении между стержнем и втулкой возникает трение, которое может происходить «всухую» при недостаточном смазывании. Кроме того, стенки втулок, как и другие компоненты механизма, испытывают высокие температуры, поэтому для их изготовления используют жаростойкие материалы, например, керамику, алюминиевую бронзу или чугун.
Втулки впускных клапанов имеют сужение к низу, чтобы избежать заклинивания, а зазоры между стержнем и стенками делаются меньшими по сравнению с выпускными клапанами.
Седла клапанов
Клапаны должны надёжно закрывать рабочую зону двигателя, и это в значительной степени зависит от качества седел. Они устанавливаются непосредственно на головку блока цилиндров с использованием методов развальцовки и запрессовки. На головках из алюминия обычно используют вставные сиденья, тогда как на чугунных они литые и встроенные.
Гидрокомпенасаторы
Детали для регулировки теплового зазора также присутствуют в клапанной системе, хотя не в каждом моторе. Механизм газораспределения и клапанный механизм могут функционировать и без гидрокомпенсаторов, но с ними работа значительно улучшается. Преимущества мотора с гидрокомпенсаторами:
- более тихая работа
- нет необходимости в сложной регулировке
- долговечность клапанного механизма.
Тем не менее, имеют место и недостатки: более сложная конструкция приводит к увеличению вероятности поломки и немного более высоким требованиям к смазке.
Количество клапанов на цилиндр
Однозначно ответить на вопрос о количестве клапанов в двигателе внутреннего сгорания нельзя – это зависит от конкретной модели двигателя.
Головка блока цилиндров с 4 и 5 клапанами
В четырёхтактных моторах каждый цилиндр обычно оснащён минимум двумя клапанами: впускным и выпускным. Тем не менее, существуют и другие варианты конструкции:
| Двухклапанный | 1 — впуск 1 — выпуск |  |
| Трехклапанный | 2 — впуск 1 — выпуск |  |
| Четырехклапанный | 2 — впуск 2 — выпуск |  |
| Пятиклапанный | 3 — впуск 2 — выпуск |  |
Увеличение количества клапанов способствует улучшению показателей двигателя, таких как мощность, эффективность и экологичность. Однако более сложная конструкция может привести к повышению вероятности сбоев в работе.
Работа клапанного механизма
Функционирование клапанного механизма осуществляется за счёт привода ГРМ и распредвала. Хотя конструкции могут различаться, общая суть остаётся неизменной: вращающийся распределительный вал поочередно открывает впускные и выпускные клапаны, позволяя горючей смеси поступать в камеру сгорания и отводить отработанные газы.
ГРМ с одним и двумя распредвалами
Распределительный вал может быть как один, так и два. В V-образных моторах устанавливают четыре вала – по два в каждой головке. Этот вал соединяется с коленчатым валом через цепь, шестерни или другим способом. Важно, что скорость его вращения в два раза меньше, чем скорость вращения коленчатого вала, что необходимо для правильной работы четырёхтактного двигателя.
Почему клапаны стучат
Последствия детонации Причиной такого звука может быть высокая вязкость масла, из-за которой оно не может в достаточном объёме поступать в гидрокомпенсаторы, что приводит к тому, что клапан при возврате «пробивает» пружину. С прогревом двигателя тепловой зазор уменьшается, и постукивание прекращается.
Проблема с постукиванием может проявляться и на разогретом двигателе. Возможные причины включают недостаточное давление масла и износ критических компонентов, таких как пружины, втулки и компенсаторы.
Регулировка теплового зазора
Тепловым зазором считают просвет между толкателем и распредвалом, необходимый для компенсации теплового расширения клапана. Регулировка этого зазора может выполняться по-разному в зависимости от модели двигателя. В случае с моделями, где используется коромысло, применяется специальный механизм регулировки.
На наиболее распространённых двигателях с кулачковой системой процесс замены «стакана» выполняется следующим образом.
- Снимите крышку клапанной группы.
- Поверните коленвал до момента, когда поршень первого цилиндра окажется в верхней мёртвой точке.
- Затем с помощью щупа измерьте зазор между кулачком и толкателем на закрытых клапанах. Щуп должен уместиться плотно, но легко вытаскиваться.
- Проверните коленвал на 360 градусов и повторите процедуру для остальных клапанов.
- Замените стаканы, если зазор оказался слишком большим или маленьким на измеренных клапанах.
Важно помнить, что проверка теплового зазора и клапанов в целом осуществляется только на охлаждённом двигателе.
Кривошипно-шатунный механизм двигателя
Если материал был полезен, оставьте свой комментарий. Если он оказался неактуальным или неправильным, тоже дайте знать.
Вопросы по теме
Какие типы клапанов существуют в двигателе и как они влияют на его производительность?
В двигателях внутреннего сгорания чаще всего используются два типа клапанов: впускные и выпускные. Впускные клапаны отвечают за поступление воздухом-фуэлом в цилиндр, а выпускные — за удаление отработанных газов. Существует также множество конструктивных вариантов клапанов, включая плоские, седловые и другие. Интенсивность и оптимальность работы двигателя зависят от форм, размеров и материалов клапанов, а также от их относительного положения. Например, использование более легких и прочных клапанов позволяет увеличить обороты двигателя и его мощность.
Какой эффект на работу двигателя оказывают недостаточная или избыточная герметичность клапанов?
Недостаточная герметичность клапанов может привести к утечкам газов, что снижает эффективность работы двигателя и вызывает потерю мощности. В таких случаях, двигатель может не достигать своих оптимальных характеристик в плане производительности и расхода топлива. С другой стороны, избыточная герметичность, такого же эффекта не вызывает, но может повлечь за собой перегрев и преждевременный износ компонентов. Правильная балансировка герметичности клапанов критически важна для обеспечения долгосрочной и надежной работы силового агрегата.
Как диагностировать неисправности клапанов двигателя без профессионального оборудования?
Определить возможные неисправности клапанов можно с помощью нескольких простых методов, не требующих специального оборудования. Во-первых, можно послушать звук двигателя: тики или щелчки могут указывать на проблемы с клапанами или их механизмом. Во-вторых, стоит обратить внимание на динамику работы двигателя — провалы в мощности или нестабильная работа на холостом ходу могут сигнализировать о неисправностях. Наконец, подтекание масла на соединениях может указывать на повреждения в области клапанов. Такие методы диагностики могут служить первым сигналом для обращения к специалистам для дальнейшего обследования и ремонта.
