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.

• двигатель
• устройство автомобиля

Клапаны, устройство и назначение клапана

Кла́пан — это устройство, предназначенное для открытия, закрытия, а также регулирования потока горючей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя и выпуска отработавших газов.

Для нормальной работы четырехтактного двигателя требуется, как минимум, по два клапана на каждый цилиндр — впускной клапан и выпускной клапан. В данный момент широкое распространение получили клапаны тарельчатого типа со стержнем. Для качественного наполнения цилиндра горючей смесью диаметр тарелки впускного клапана делается немного больше, чем у выпускного.

Из чего изготавливают клапана

Седла клапанов изготавливаются из чугуна или стали, затем запрессовываются в головку блока цилиндров. Клапаны во время работы двигателя подвержены значительным механическим и тепловым нагрузкам, поэтому необходимо подбирать специальный сплав для изготовления детали.

Клапана для высокофорсированных двигателей должны хорошо охлаждаться, поэтому в них применяют клапаны с полым стержнем, с наполнением натрия внутри. При достижении рабочей температуры натрий плавится и начинает перетекать от тарелки клапана, к стержню равномерно распределяя тепло. Для равномерности теплопередачи и уменьшения нагара на фасках клапана применяют механизмы вращения клапана.

Виды ГРМ

Существуют следующие виды газораспределительных механизмов: нижнеклапанный ГРМ и верхнеклапанный ГРМ. Сегодня, на современных автомобилях, используются только верхнеклапанные ГРМ, когда клапаны располагаются в головке цилиндров.

Клапан удерживается в закрытом состоянии с помощью клапанной пружины, а открывается при нажатии на стержень клапана. Клапанные пружины должны иметь определенную жесткость (оптимальную, чтобы не увеличивать ударную нагрузку на седло клапана) для гарантированного закрытия клапана во время работы.

Чтобы снизить потери на трение в ГРМ применяют ролики, которые установлены на рычагах и толкателях привода клапанов. Применение роликов в клапанном механизме заменяет трение скольжения, на трение качение, что значительно уменьшает потери на привод клапанов.

При открытии впускного клапана проходит топливно-воздушная смесь (или воздух) наполняя цилиндр двигателя. Чем больше площадь проходного сечения, тем полнее заполнится цилиндр, что приводит к повышению выходных показателей цилиндра при рабочем ходе. Для улучшения очистки цилиндров от продуктов сгорания увеличивают диаметр тарелки выпускного клапана. Правда, размеры тарелок клапанов ограничены размером камеры сгорания, выполненной в головке цилиндров. Многое также зависит от регулировки клапанов. 

Применение четырех клапанов на цилиндр началось еще в 1912 г. на двигателе автомобиля PeugeotGranPrix. Широкое использование такой схемы в серийном производстве легковых автомобилях началось только в конце 1970-х гг. Сегодня ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр стали практически стандартными для двигателей европейских и японских легковых автомобилей.

Mercedes выпускает двигатели, которые имеют по три клапана на цилиндр, два впускных и один выпускной, с двумя свечами зажигания (по одной с каждой стороны от выпускного клапана).

Существует практика использования даже 5 клапанов на цилиндр (3 впускных и 2 выпускных). Такой технологией практикует автомобильная группа Volksvagen-Audi, но при этом значительно усложняется привод клапанного механизма.

Как это работает: клапаны

На этом двигателе BMW G450X впускные клапаны больше, чем выпускные, чтобы облегчить поток воздуха/топлива камера сгорания. Они открываются, чтобы впустить смесь воздуха и топлива, закрываются, чтобы герметизировать камеру, когда смесь взрывается, поэтому поршень толкается вниз, затем открывается другой набор, чтобы выпустить выхлопные газы. Большинство современных мотоциклов имеют четыре клапана на цилиндр (два на впуск, два на выпуск), хотя у различных Yamaha их пять (три на впуске), что, если вам когда-либо приходилось покупать для них прокладки, может сделать его довольно дорогим.

Это новый KTM 790 Duke. Обратите внимание на гладкую форму от штока до торца — это важно для быстрого входа и выхода газов

Что такое клапаны?

Все тарельчатые клапаны мотоциклов имеют форму 4-дюймового гвоздя с большой плоской головкой. В современных велосипедах головка клапана (называемая лицевой стороной) находится в камере сгорания, а вал (называемый штоком) торчит из цилиндра, где он прикреплен к пружине.

Как они работают?

В верхней части клапана находится механизм открывания по вашему выбору – в некоторых двигателях для соединения с распределительным валом используется коромысло (конус Ducatis), в других – палец (например, BMW R1200GS), в третьих – ведро (почти каждый японский четырехцилиндровый двигатель). цилиндр), с распределительным валом прямо над ним.

Существуют и другие способы активации клапанов: в некоторых старых двигателях коромысла соединены с толкателем, который приводится в действие кулачками, расположенными ниже коленчатого вала, а в современных Ducati используется десмодромная система (мы займемся этим в другой раз).

Но давайте остановимся на наиболее распространенной конфигурации — двойной верхний распредвал (DOHC), где один из двух распределительных валов управляет двумя впускными клапанами на цилиндр, а другой — двумя выпускными клапанами на цилиндр.

Как это работает

Теоретически работа клапана очень проста: кулачок толкает клапаны вниз в цилиндр против пружины, открывая клапан, чтобы газы могли течь, а затем позволяет клапану закрыться под действием силы весна. Давление в камере сгорания довольно аккуратно помогает закрыть клапан.

Проблемы возникают из-за того, что это должно произойти несколько раз. Например, с двигателем велосипеда, вращающимся со скоростью 10 000 об/мин, каждый клапан должен открываться и закрываться 83 раза в секунду, поэтому он должен двигаться быстро. Эта скорость является проблемой, потому что это означает, что клапан имеет много энергии и постоянно ударяется о седло клапана.

С этим ничего не поделаешь — если сделать пружину слабее, чтобы клапан не хлопал так сильно, клапан в конечном итоге потеряет контакт с кулачком и не откроется в нужное время. Если вы уменьшите расстояние, которое должен пройти клапан, так что у клапана будет меньший разбег для его головки в седле клапана, меньше газа может попасть в камеру сгорания или выйти из нее, что снижает мощность.

Единственное решение — металлургия — сделать более прочные и легкие клапаны, способные выдержать все хлопки и жар камеры сгорания. Отсюда использование титановых клапанов в некоторых двигателях спортивных мотоциклов (например, GSX-R1000 2017 года).

Вы действительно не хотите заменять все прокладки на BMW K1600!

Все дело в времени

Время клапана имеет решающее значение. Изменяя ориентацию кулачков и их профили, конструкторы двигателей могут точно установить, когда открываются впускные и выпускные клапаны, как долго они остаются открытыми и когда закрываются. Это оказывает огромное влияние на то, где пиковый крутящий момент и мощность возникают в диапазоне оборотов.

Например, для мотоцикла Harley V-twin вам нужен крутящий момент на низких оборотах, поэтому вы устанавливаете фазы газораспределения максимально эффективными на низких оборотах. На этих оборотах все движется не слишком быстро, поэтому, например, вы можете открывать впускные клапаны позже и закрывать их раньше, чтобы извлечь как можно больше энергии при взрыве газа. То же самое с выпускными клапанами, поэтому время, когда оба впускных и выпускных клапана открыты (перекрытие), мало.

Проблема в том, что по мере увеличения оборотов не хватает времени, чтобы влить всю необходимую смесь и выпустить весь выхлоп. Итак, с точки зрения гонщика, у двигателя заканчивается затяжка. На высокооборотном четырехцилиндровом двигателе, рассчитанном на максимальную мощность, все наоборот — вы устанавливаете фазы газораспределения для высоких оборотов, когда все движется очень быстро, поэтому впускные и выпускные клапаны должны быть открыты на больший процент цикла хода. чтобы убедиться, что вы получаете много смеси, а затем выпускаете весь выхлоп. Это хорошо, но на низких оборотах это может быть ужасно неэффективно.

Конечно, это система изменения фаз газораспределения… подробнее об этом можно прочитать здесь.

Технология регулируемых клапанов и то, что она делает в вашем автомобиле

Когда вы ознакомитесь с особенностями нового автомобиля, вы, вероятно, будете засыпаны восторженными словами о «передовой технологии клапанного механизма». Как это произошло? Они не осыпают нас подробностями о том, как работают вирусы, когда продают нам лекарства от простуды. Вот краткое объяснение того, что делают клапаны автомобильных двигателей и почему автопроизводители тратят так много времени, рассказывая вам, насколько хороши их клапаны.

Сейчас играет:
Смотри:

Наконец-то поймите, что технология регулируемых клапанов вашего автомобиля…

6:39

Что делают клапаны

Клапаны установлены в части двигателя, называемой головкой, и отвечают за подачу воздуха и/или топлива в цилиндры для сгорания — они называются впускными клапанами — и за выпуск выхлопных газов от этого сгорания из цилиндров — это называется выпускными клапанами.

Выделены клапаны двигателя, расположенные в головке (здесь невидимы), прямо над цилиндрами.

Фольксваген

Это может звучать как пара валторн в оркестре, но клапаны на самом деле играют центральную роль в характере мощности, экономичности и выбросов двигателя.

Принцип работы клапанов

Клапаны двигателя приводятся в действие вращением распределительного вала с эксцентричными яйцевидными кулачками. Когда эти кулачки вращаются, верхняя часть их яйцевидной формы давит на клапан, переводя его в открытое положение.

Распределительные валы бывают разных размеров и областей применения, но все они имеют ряд эксцентриковых или яйцевидных кулачков, врезанных в них.

Литейная группа МАТ

По мере того, как этот выступ кулачка продолжает вращаться, его верхняя часть отходит от клапана, и пружина возвращает клапан в закрытое положение.

Есть три основных параметра, которые определяют природу этого танца открытия и закрытия: время, подъем и продолжительность. (Вот где вам действительно нужно посмотреть видео в верхней части этой страницы!)

ГРМ

Как и все, что вращается, распределительный вал при работе поворачивается на 360 градусов. Где в этих 360 градусах вершина яйцевидного лепестка указывает на синхронизацию клапана — синхронизацию, когда кулачок давит на клапан во время вращения вала.

Где на 360 градусах распределительного вала эта точка кулачка определяет его синхронизацию.

CNET

Это называется синхронизацией, потому что она определяет, когда открывается клапан по отношению к тому, что происходит в остальной части двигателя в данный момент времени, поскольку все в двигателе механически заблокировано.

Подъем

Высота выступа кулачка или высота его яйцевидной точки определяет подъемную силу. Чем выше этот конец, тем дальше он будет перемещать или «поднимать» клапан. Эта величина подъемной силы в значительной степени определяет, насколько большое отверстие создается в цилиндре для подачи воздуха или топлива или для выпуска выхлопных газов.

Продолжительность

Ширина или ширина кулачка определяет продолжительность или как долго он поднимает клапан. Это определяет, сколько времени баллон должен вдохнуть или выдохнуть.

Ширина или широта «плеч» по обе стороны от вершины этого кулачка определяет его продолжительность.

CNET

Узкий остроконечный выступ кулачка на короткое время открывает клапан, в то время как более широкий выступ кулачка тратит больше времени, удерживая клапан открытым при вращении распределительного вала.

Сделать все это вариативным

Как вы понимаете, яйцевидные кулачки обманчиво сложны и содержат множество «команд» в своей органической форме. Но даже этих нюансов недостаточно для современных двигателей; за последние несколько десятилетий автопроизводители сделали синхронизацию, подъемную силу и продолжительность регулируемыми в зависимости от работы двигателя.

Переменная синхронизация

В идеале кулачки кулачков давят на клапаны в моменты времени, которые меняются в зависимости от оборотов двигателя и нагрузки, что трудно представить при фиксированной форме распределительного вала, обработанной механической обработкой. Но технология VarioCam от Porsche была одним из первых примеров того, как сделать именно это, изменяя взаимосвязь между распределительным валом и шестерней, которая его вращает.

В частности, это позволило Porsche изменить синхронизацию впускных клапанов относительно положения поршней в цилиндре, а также синхронизацию выпускных клапанов. Это нечетко, но выше показано заводское изображение того, как VarioCam изменяет фазы газораспределения. В большинстве современных автомобилей с газовыми двигателями теперь используются некоторые методы изменения фаз газораспределения.

Регулируемый подъем

Знаменитые двигатели Honda с системой VTEC сделали регулируемый подъем клапанов популярным. Используя механическую связь, двигатели VTEC могут выбирать между двумя кулачками распределительного вала разной формы, каждый из которых управляет данным клапаном: один открывает клапан больше, другой открывает клапан меньше. Выбор лепестков для использования в данный момент осуществляется компьютером двигателя, который отслеживает обороты двигателя и нагрузку.