Клапан двигуна. Призначення, пристрій, конструкція

Щоб чотиритактний ДВС будь-якого автомобіля зміг працювати, в його пристрій входить безліч різних деталей і механізмів, які синхронізовані між собою. Серед таких механізмів - грм. Його функція полягає в тому, щоб забезпечити своєчасне спрацьовування фаз газорозподілу. Про те, що це таке, докладно розповідається тут.

Якщо коротко, то газорозподільний механізм в потрібний час відкриває впускний / випускний клапан, щоб забезпечити своєчасність процесу при виконанні конкретного такту в циліндрі. В якомусь випадку потрібно, щоб обидва отвори були закриті, в іншому - відкрито одне або навіть обидва.

Розглянемо ближче одну деталь, яка дозволяє стабілізувати цей процес. Це клапан. У чому особливість його конструкції, а також як він працює?

Що таке клапан двигуна

Під клапаном мається на увазі металева деталь, яка встановлюється в голівці блоку циліндрів. Вона є частиною механізму газорозподілу, і приводиться в рух розподілвалом.

Залежно від модифікації авто двигун буде мати нижнє або верхнє розташування ГРМ. Перший варіант ще зустрічається в деяких старих модифікаціях силових агрегатів. Більшість виробників вже давно перейшли на другий вид газорозподільних механізмів.

Причина тому - такий мотор легше налаштовувати і ремонтувати. Для регулювання клапанів досить зняти клапанну кришку, і не потрібно демонтувати весь агрегат.

Призначення і особливості пристрою

Клапан - підпружинений елемент. У спокійному стані він щільно закриває отвір. Коли розподільний вал провертається, кулачок, розташований на ньому, натискає на клапан, опускаючи його. Завдяки цьому отвір відкривається. Детально пристрій распредвала описується в іншому огляді.

Кожна деталь грає свою функцію, яку конструктивно неможливо виконати аналогічного елементу, що знаходиться поруч. На один циліндр передбачено мінімум два клапана. У більш дорогих моделях агрегатів їх по чотири. Цих елементів в більшості випадків парне число, і вони відкривають різні групи отворів: одні - впускні, а інші - випускні.

Впускні клапани відповідають за надходження в циліндр свіжої порції повітряно-паливної суміші, а в моторах з безпосереднім уприскуванням (різновид инжекторной паливної системи, вона описується тут) - обсягу свіжого повітря. Цей процес відбувається в той момент, коли поршень виконує такт впуску (з верхньої мертвої точки після видалення вихлопу рухається вниз).

Випускні клапана мають той же принцип відкриття, тільки виконують вони вже іншу функцію. Вони відкривають отвір для видалення продуктів горіння в випускний колектор.

Конструкція клапанів двигуна

Розглянуті деталі входять в клапанну групу газорозподільного механізму. У сукупності з іншими деталями вони забезпечують своєчасну зміну фаз газорозподілу.

Розглянемо особливості конструкції клапанів і суміжних з ними деталей, від яких залежить їх ефективна робота.

клапани

Клапани мають форму стрижня, з одного боку якого є головка або тарільчасте елемент, а з іншого - п'ята чи торець. Плоска частина призначена для герметичного закриття отворів в ГБЦ. Між тарілкою і стрижнем зроблений плавний перехід, а не сходинка. Це забезпечує обтічність клапану, завдяки чому він не створює опір руху робочого середовища.

В одному моторі впускний і випускний клапана будуть трохи відрізнятися. Так, у перших типів деталей тарілка буде ширше, ніж у другій. Причина тому - висока температура і великий тиск при видаленні через газовідвід продуктів згоряння.

Щоб деталі коштували дешевше, клапани складаються з двох частин. Відрізняються вони складом. Ці дві частини стикуються за допомогою зварювання. Робоча фаска тарілки випускного клапана теж є окремим елементом. Вона наплавляється з іншого типу металу, який володіє жаростійкими властивостями, а також стійкістю до механічних навантажень. Крім цих властивостей торець випускних клапанів не так сильно схильний до утворення іржі. Правда, ця частина в багатьох клапанах виготовляється з матеріалу, ідентичного металу, з якого виконана тарілка.

Головки впускних елементів зазвичай мають плоску форму. Така конструкція має потрібну жорсткість і простоту виконання. Форсовані двигуни можуть оснащуватися клапанами з увігнутими тарілками. Така конструкція трохи легше стандартного аналога, завдяки чому знижується сила інерції.

Що стосується випускних аналогів, то форма їх головки буде або плоскою, або опуклою. Другий варіант більш ефективний, так як він забезпечує краще видалення газів з камери згоряння завдяки своїй обтічності. Плюс опукла тарілка міцніша в порівнянні з плоским аналогом. З іншого боку такий елемент важче, через що страждає його інерційність. Для таких типів деталей будуть вимагатися більш жорсткі пружини.

Також конструкція стержня цього типу клапанів трохи відрізняється від впускних деталей. Щоб забезпечити кращий тепловідвід від елемента, товщина стержня робиться більшою. Це підвищує стійкість до сильного нагрівання деталі. Однак у такого рішення є недолік - воно створює більший опір видаляється газам. Незважаючи на нього, виробники все ж використовують таку конструкцію, тому що викид відпрацьованого газу виконується під сильним напором.

На сьогоднішній день існує інноваційна розробка клапанів з примусовим охолодженням. Така модифікація має пустотілий стрижень. У його порожнину закачаний рідкий натрій. Ця речовина при сильному нагріванні (знаходиться біля головки) випаровується. В результаті цього процесу газ поглинає тепло від металевих стінок. Поки він піднімається вгору, газ остигає, і конденсується. Рідка речовина стікає до основи, де процес повторюється.

Щоб клапани забезпечували герметичність сполучення, в сідлі і на тарілці вибирається фаска. Вона теж робиться з скосом, щоб усунути сходинку. При установці клапанів на мотор їх притирають до голівки.

На герметичність з'єднання сідла і головки впливає утворилася на паску корозія, а випускні деталі часто страждають від утворення нагару. Щоб продовжити термін служби клапана, деякі двигуни оснащуються додатковим механізмом, який при закритті випускного отвору трохи провертає клапан. Завдяки цьому видаляється утворився нагар.

Іноді буває так, що хвостовик клапана ламається. Через це деталь впаде в циліндр, що зашкодить мотор. Для виходу з ладу досить, щоб колінвал зробив пару інерційних оборотів. Щоб запобігти подібній ситуації, виробники автоклапанів можуть оснащувати деталь стопорним кільцем.

Трохи про особливості п'яти клапана. Ця частина піддається силі тертя, так як на неї впливає кулачок распредвала. Щоб клапан відкрився, кулачок повинен натиснути на нього з такою силою, щоб стиснулася пружина. Цей вузол повинен отримувати достатньо мастила, а щоб він швидко не зношувався, його загартовують. Деякі розробники моторів для запобігання зносу стрижня використовують спеціальні ковпачки, які виконані з матеріалів, стійких до подібних навантажень.

Щоб під час нагрівання клапан не заклинило у втулці, частина стрижня біля тарілки трохи тонше, ніж частина, яка знаходиться біля п'яти. Для фіксації клапанної пружини на торці клапанів робляться дві проточки (в деяких випадках одна), в які вставляються сухарі опори (нерухомою тарілки, куди впирається пружина).

клапанні пружини

На ефективність роботи клапана впливає пружина. Вона потрібна для того, щоб головка і сідло забезпечували герметичне з'єднання, і робоче середовище не проникала через що утворився свищ. Якщо ця деталь буде сильно жорсткої, кулачок распредвала або п'ята стрижня клапана швидко зносяться. З іншого боку слабка пружина не зможе забезпечити щільне прилягання двох елементів.

Так як цей елемент працює в умовах різко мінливих навантажень, він може зламатися. Для запобігання швидких поломок виробники силових агрегатів використовують різні типи пружин. У деяких ГРМ встановлюються подвійні типи. Така модифікація знижує навантаження на окремий елемент, тим самим збільшуючи його робочий ресурс.

У такому виконанні пружини матимуть різне спрямування витків. Це допоможе уникнути потрапляння частинок лопнула деталі між витками іншої. Для виготовлення цих елементів використовується пружинна сталь. Після формування вироби його загартовують.

По краях кожна пружина відшліфовується, завдяки чому забезпечується контакт всієї опорної частини до голівки клапана і верхньої тарілці, закріпленої на голівці блоку циліндрів. Щоб деталь не піддавалася окислювання, її покривають шаром кадмію і оцинковують.

Крім класичних клапанів, які працюють від ГРМ, в спортивних моделях транспорту може використовуватися пневмоклапан. По суті це такий же елемент, тільки приводиться в рух він особливим пневматичним механізмом. Завдяки цьому досягається така точність спрацьовування, що мотор здатний розвивати неймовірні обороти - аж до 20 тисяч.

Така розробка з'явилася ще в 1980-х роках. Вона сприяє більш чіткому відкриття / закриття отворів, чого не може забезпечити жодна пружина. Цей привід працює від стисненого газу, що знаходиться в резервуарі над клапаном. Коли кулачок б'є по клапану, сила удару становить приблизно 10 Бар. Клапан відкривається, а коли распредвал послаблює вплив на його п'яту, стиснений газ швидко повертає деталь на своє місце. Щоб тиск не падало через можливих витоків, система оснащена додатковим компресором, резервуар якого знаходиться під тиском близько 200 Бар.

Джеймс Еллісон, PBM Aprilia, ЕЛТ-тест Херес, лютий 2012 р

Така система використовується в мотоциклах класу MotoGP. Цей транспорт при одному літрі обсягу мотора здатний розвинути 20-21 тисячу оборотів коленвала. Одна з моделей з подібним механізмом - одна з моделей мотоцикла Aprilia. Його потужність склала неймовірні 240 к.с. Правда, для двоколісного транспорту це занадто багато.

Направляючі втулки клапанів

Роль цієї деталі в роботі клапана полягає в тому, щоб забезпечити його прямолінійне переміщення. Також втулка сприяє охолодженню стрижня. Ця частина потребує постійної мастилі. В іншому випадку стержень буде піддаватися постійної термічної навантаженні, а втулка швидко зітреться.

Матеріал, який можуть використовувати для виготовлення таких втулок, повинен володіти теплотривкістю, витримувати постійне тертя, добре відводити тепло від суміжної деталі, а також витримувати великі температури. Такі вимоги може задовольнити перлітний сірий чавун, алюмінієва бронза, кераміка з хромом або хромнікелем. Всі ці матеріали мають пористу структуру, завдяки чому сприяють утриманню масла на своїй поверхні.

Втулка для випускного клапана матиме трохи більший зазор між стрижнем, ніж у впускного аналога. Причина тому - більше теплове розширення клапана, що працює на видалення відпрацьованого газу.

сідла клапанів

Це контактна частина отвору ГБЦ біля кожного циліндра і тарілки клапана. Так як ця частина головки стикається з механічними і термічними навантаженнями, вона повинна мати гарну стійкість до сильного нагрівання і частим ударам (коли автомобіль їде швидко, обороти розподільного вала настільки високі, що клапана буквально падають в сідло).

Якщо блок циліндрів і його головка виготовляється з алюмінієвого сплаву, сідла клапанів обов'язково будуть виконані зі сталі. Чавун і так непогано справляється з подібними навантаженнями, тому сідло в такій модифікації виконується в самій голівці.

Існують також вставні сідла. Вони виготовляються з легованого чавуну або жаростійкої стали. Щоб фаска елемента не так сильно зношувалися, її виконують шляхом нашарування жаростійкого металу.

Вставне сідло фіксується в отворі головки різними способами. У деяких випадках воно запресовується, а у верхній частині елемента виконується проточка, яка в процесі монтажу заповнюється металом тіла головки. Завдяки цьому створюється цілісність вузла з різних металів.

Сталеве сідло кріпиться шляхом розвальцьовування верхній частині в тілі головки. Існують сідла циліндричної і конічної форм. У першому випадку вони монтуються до упору, а другі мають невеликий торцевої зазор.

Кількість клапанів в двигуні

Стандартний 4-тактний двигун внутрішнього згоряння оснащується одним розподільним валом і двома клапанами на один циліндр. У такому виконанні одна деталь відповідає за впорскування суміші повітря або просто повітря (якщо паливна система має безпосереднє уприскування), а інша - за відведення відпрацьованих газів у випускний колектор.

Більш ефективна робота у модифікації двигуна, в якій на один циліндр є чотири клапана - по два на кожну фазу. Завдяки такій конструкції забезпечується краще наповнення камери новою порцією ВТС або повітря, а також прискорене видалення вихлопних газів і провітрювання порожнини циліндра. Такими моторами почали комплектувати автомобілі, починаючи з 70-х рр минулого століття, хоча розробка таких агрегатів почалася ще в першій половині 1910-х років.

На сьогоднішній день для поліпшення роботи силових агрегатів існує розробка двигуна, в якому є п'ять клапанів. Два на випуск, і три на впуск. Прикладом таких агрегатів є моделі концерну Volkswagen-Audi. Хоча принцип роботи грм в такому моторі ідентичний класичним варіантам, але конструкція цього механізму ускладнена, через що інноваційна розробка коштує дорого.

Схожий нестандартний підхід застосовує також автовиробник Mercedes-Benz. Деякі двигуни цього автовиробника оснащуються трьома клапанами на циліндр (2 - впускні, 1 - випускний). Додатково в кожній камері казанка встановлюється по дві свічки запалювання.

Число клапанів виробник визначає за розміром камери, в яку надходить паливо і повітря. Щоб поліпшити її наповнення, потрібно забезпечити кращий приплив свіжої порції ВТС. Для цього можна збільшити діаметр отвору, а разом з ним і розмір тарілки. Однак така модернізація має свої рамки. А ось встановити додатковий впускний клапан цілком реально, тому автовиробники розробляють саме такі модифікації ГБЦ. Так як швидкість впуску важливіше випуску (видалення вихлопу проводиться під тиском поршня), то при непарній кількості клапанів більше завжди буде впускних елементів.

З чого виготовляють клапана

Так як клапани працюють в умовах максимальних температурних і механічних навантажень, вони виготовляються з металу, стійкого до таких факторів. Найбільше нагрівається, а також стикається з механічним впливом місце контакту сідла і тарілки клапана. При високих оборотах мотора клапани швидко опускаються в сідла, що створює удар на краях деталі. Так само в процесі згоряння суміші повітря і палива тонкі краї тарілки піддаються різкому нагріванню.

Крім тарілки клапана навантаженню піддаються ще й клапанні втулки. Негативними факторами, які призводять до зносу ці елементи, є недостатня мастило і постійне тертя при швидкому пересуванні клапанів.

З цих причин до клапанів пред'являються такі вимоги:

1. Вони повинні герметично закривати впускний / випускний отвори;
2. При сильному нагріванні краю тарілки не повинні деформуватися від ударів об сідло;
3. Повинні бути добре обтічними, щоб надходить або видаляється середовищі не створювалося опір;
4. Деталь не повинна бути важкою;
5. Метал повинен бути жорстким і міцним;
6. Не може бути піддано сильному окисленню (коли машина їздить рідко, краю головок не повинні іржавіти).

Деталь, що відкрила отвір, в дизелях нагрівається до 700 градусів, а в бензинових аналогах - до 900 вище нуля. Ситуація ускладнюється тим, що при такому сильному нагріванні відкритий клапан не охолоджується. Випускний клапан може бути виготовлений з будь-якої високолегованої сталі, що витримує великий нагрів. Як вже було сказано, один клапан виготовляється з двох різних типів металу. Головка зроблена з жароміцних сплавів, а стрижень - з вуглецевої сталі.

Що стосується впускних елементів, то вони охолоджуються за рахунок контакту з сідлом. Проте, їх температура теж висока - близько 300 градусів, тому не допускається, щоб при нагріванні деталь деформувалася.

Часто до складу сировини для створення клапанів входить хром, що підвищує його термічну стійкість. У процесі згоряння бензину, газу або дизпалива виділяються деякі речовини, які можуть агресивно впливати на металеві деталі (наприклад, це окис свинцю). Для запобігання негативної реакції в матеріал головки клапана можуть входити нікель, марганець і азотні сполуки.

І на останок. Ні для кого не є секретом, що в будь-якому двигуні з часом клапана прогорають. Ось невелике відео про те, з яких причин це відбувається:

ПРИЧИНИ по ЯКИМ прогорають клапана в ДВИГУНІ АВТОМОБІЛЯ 95% водіїв цього не знав

Питання та відповіді:

Що роблять клапани у двигуні? Під час їх відкриття впускні клапани забезпечують приплив свіжого повітря (або повітряно-паливної суміші) в циліндр. Відкриті випускні клапани відводять гази, що відпрацювали, у випускний колектор.

Як зрозуміти, що прогоріли клапани? Ключовою ознакою клапанів, що прогоріли, є троїння мотора незалежно від оборотів. При цьому потужність двигуна пристойно знижується, а витрата палива збільшується.

Які частини відкривають та закривають клапани? Шток клапана пов'язаний із кулачками розподільчого валу. Багато сучасних двигунах між цими деталями встановлюються ще гидрокомпенсаторы.