full screen background image

Клапаны двигателя: конструктивные особенности и назначение

9

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.

Почему прогорают клапана?

Прогар клапана – естественное последствие неправильного горения топливовоздушной смеси в цилиндре либо нарушения теплового зазора. Давайте рассмотрим, почему может прогореть клапан на дизельном или бензиновом двигателе и уделим внимание проблеме регулировки теплового зазора и детонационного сгорания.

прогоревший клапан

Признаки прогара клапана

В случае прогорания в цилиндре на такте сжатия не развивается достаточное давление, так как часть топливно — воздушной смеси (ТПВС) просачивается через клапан. Поэтому сгорание в таком цилиндре происходит неправильно либо отсутствует полностью, что естественным образом отображается на работе двигателя.

Симптомы прогара клапана:

  • неравномерный холостой ход. При этом характер работы будет зависеть от площади отверстия, образовавшегося между фаской клапана и седлом ГБЦ. Это может быть как легкая вибрация и небольшое подергивание при перегазовке, так и троение, при котором один из цилиндров полностью не работает;
  • потеря мощности;
  • характерное бубонение во впускном тракте. Возникает, если на автомобиле прогорел впускной клапан;
  • увеличение расхода топлива;
  • трудный запуск.

В автомобилях с функцией самодиагностики на приборной панели загорится сигнальная лампа Check Engine. Считав диагностическим прибором неисправности, вы, скорее всего, увидите ошибки по пропускам зажигания, бедной/богатой смеси. Первый тип ошибки регистрируется вследствие неравномерности вращения коленчатого вала, возникающей при неисправности в каком-либо из цилиндров. Второй связан с неправильным горением в неработающем цилиндре, вследствие чего часть ТПВС летит в выхлопной тракт, сбивая с толку кислородный датчик (лямбда-зонд).

После выявления кода неисправности по конкретному цилиндру можно смело выкручивать свечу для замера компрессии. Если же ошибок нет, придется прибегнуть к более искусным методам диагностики.

Как определить неработающий цилиндр?

Суть простейшей проверки сводится к последовательному отключению цилиндров. Имитируя неисправность, мы наблюдаем за изменениями в работе двигателя. После отключения котла, в котором прогорел клапан, изменения в работе будут минимальные. Какими способами это лучше всего сделать?

  1. Снимите со свечи высоковольтный провод. В это время катушка будет переживать повышенные нагрузки, поэтому длительность такого стресс-теста не должна превышать 2-3 секунды. Во избежание риска удара током через растрескавшийся ВВП делать подобную проверку нужно в прорезиненных перчатках либо с помощью плоскогубцев с пластиковыми/резиновыми ручками.
  2. Физически отключите фишку форсунки. При наличии специализированного диагностического оборудования сделать это можно программно, подключившись к автомобилю через разъем OBD-II.

Видео: Почему горят клапана

Проверка компрессии

Определив неработающий цилиндр, мы должны проверить цилиндр на герметичность. Для этого есть несколько способов:

  • измерение компрессии в двигателе. Для этих целей подойдет даже самый дешевый компрессометр с подходящей шкалой измерения. Главное, чтобы в наличии был переходник с подходящей резьбой. Не доверяя точности прибору, ориентируйтесь не столько на показанную цифру, сколько на разницу между цилиндрами. Компрессия при прогаре клапана снижается на 3-6 Атм. в сравнении с соседними горшками;

Во время прокрутки двигателя стартером дроссельная заслонка должна быть полностью открыта, подача топлива во все цилиндры отключена, а аккумулятор полностью заряжен.

  • проверка цилиндра на герметичность с помощью тестера. Прибор представляет собой редуктор, через который в цилиндры подается сжатый воздух. Установленный рядом манометр измеряет фактическое давление после редуктора, переводя потерю воздуха в процентную оценку негерметичности;
  • измерение относительной компрессии. Своими руками такой тест не провести, но у автодиагноста с осциллографом проверка займет не более 15 минут. Измерить относительную компрессию можно по току стартера либо с помощью скрипта CSS Андрея Шульгина.

Прогорел клапан или проблемы с поршневой?

Прогоревший клапан – далеко не единственная причина снижения компрессии в цилиндре. Поэтому следующие шаги помогут нам понять, прогорел клапан либо это проблемы с поршневой системой.

Самый примитивный тест – залить в «подсевший» цилиндр несколько кубиков моторного масла, после чего повторить замер. Если компрессия возросла, значит, причина не в прогоревшем клапане, а в цилиндро — поршневой группе (ЦПГ).

Вытащите щуп и посмотрите на количество газов, вырывающееся из отверстия. Если двигатель сильно сапунит, причина в поршневой. Если же система вентиляции картерных газов справляется со своей задачей, прогорело седло клапана или же сам клапан. В более продвинутом варианте диагностики специальным прибором измеряется объем картерных газов.

Чтобы определить прогар клапана, а не поршня, осмотрите цилиндр с помощью эндоскопа. Заглянув внутрь двигателя, вы увидите прогоревший клапан. Если поршень остановился вверху и нет возможности развернуть камеру, чтобы посмотреть вверх, слегка покрутите мотор стартером либо ключом за шкив коленчатого вала.

Почему выпускные клапаны горят чаще?

На бензиновых двигателях с впрыском в коллектор впускные клапаны омываются бензином и воздухом, что значительно снижает их температуру. Поэтому чаще всего прогорают именно выпускные клапаны. Проблемы с впускными случаются из-за неправильной регулировки зазора, вследствие чего тарелка неплотно прижимается к седлу. Из-за этого ухудшается теплоотвод, что и становится причиной неисправности.

Процесс горения смеси исправного двигателя

Чтобы лучше понять причины прогара клапанов, необходимо знать основы процессов газообмена в двигателе и их последовательность.

  1. Такт впуска. Впускные клапаны открыты, поршень движется вниз, создавая зону разряжения. Со впускного тракта в этот момент всасывается смесь топлива с воздухом (бензиновые моторы с распределительным впрыском во впуск или с моноинжектором) либо чистый воздушный заряд (ДВС цикла Дизеля и бензиновые моторы с прямым впрыском).
  2. Такт сжатия. Поршень начинает движение вверх, впускные и выпускные клапана закрываются. Смесь сжимается, температура в камере сгорания повышается.
  3. Рабочий такт. За несколько градусов до высшей мертвой точки (ВМТ) цилиндра смесь поджигается искрой (бензиновые ДВС) либо самовоспламеняется от контакта с разогретым воздухом (дизельные). Под действием силы расширяющихся газов поршень устремляется вниз. Возвратно-поступательное движение поршня через шатунно-кривошипный механизм передается во вращательное движение коленчатого вала.
  4. Такт выпуска. Выпускные клапаны открываются. Движущийся к ВМТ поршень выталкивает отработавшие газы в выпускной тракт.

Фазы перекрытия клапанов и инерционное наполнение упущены намерено, так как существенно не влияют на рассмотрение вопроса прогара клапанов.

Основные причины прогара клапанов

    ;
  • нарушение теплового зазора клапанов;
  • слишком позднее/раннее зажигание; .

1. Детонация

детонация

Детонация – процесс неправильного горения ТПВС, при котором возникает ударная волна, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью. Детонационное сгорание – одна из главных причин прогара поршней и клапанов.

Причины детонации:

  • несоответствие октанового числа бензина и степени сжатия. Скорость горения низкооктанового топлива выше, а температура самовоспламенения ниже. Поэтому смесь детонирует еще до момента подачи искры;
  • низкокачественный бензин. В попытках повысить октановое число бензина с помощью присадок недобросовестные АЗС иногда путают пропорции. При этом возможна ситуация, когда заявленное октановое число как ниже, так и выше фактического. Во втором случае присадки замедляют скорость горения смеси, из-за чего повышается термохимическая нагрузка на выпускные клапаны;
  • слишком низкое калильное число свечей зажигания. Смесь самовоспламеняется от раскаленных частей свечи;
  • бедная смесь. Из-за переизбытка окислителя (кислорода) в конце такта сжатия вблизи раскаленных участков камеры сгорания начинаются предпламенные реакции, перерастающие в детонационное сгорание. Причина бедной смеси может быть в подсосе воздуха, забитых форсунках, нехватке давления топлива.

детонация
2. Нарушение теплового зазора

Если тепловой зазор в клапанном приводе слишком мал, клапан неплотно прилегает к седлу, из-за чего нарушается отвод тепла. Из-за постоянного перегрева в головке клапана появляются трещины, а наиболее теплонагруженные частицы и вовсе откалываются.

Неправильная регулировка выпускных клапанов также может стать одной из причин детонации, так как при высокой температуре появляется риск предпламенных реакций.

зазоры клапанов

3. Влияние позднего и раннего зажигания

При несвоевременном начале горения ТПВС клапана переживают повышенные термохимические нагрузки. Так, при раннем зажигании смесь поджигается раньше расчетного времени приближения поршня к ВМТ. Поэтому пик давления в цилиндре нарастает ранее идеальных 10-15º после ВМТ. Поршень, клапаны и стенки камеры сгорания при этом переживают чрезмерные термические и ударные нагрузки.

Слишком позднее зажигание приводит к тому, что смесь еще активно догорает, когда выпускные клапаны начинают открываться. Опять-таки повышенные термические нагрузки приводят к прогару выпускных клапанов.

Прогар клапана на дизельном моторе

Признаки прогара клапана на дизеле схожи с бензиновым двигателем. Но среди причин лидирует неисправность форсунок. Из-за переливающих форсунок повышается температура в камере сгорания, увеличивается время горения смеси.

Понятие детонации в дизельном двигателе отсутствует. Но при раннем впрыске возникает не менее опасное жесткое сгорание, когда давление в камере сгорания развивается раньше расчетного. Стенки камеры сгорания в такие моменты переживают повышенные ударные и тепловые нагрузки.

Источник http://www.motorpage.ru/faq/klapani_dvigatelja__konstruktivnie_osobennosti_i_naznachenie_.html

Источник https://avtocity365.ru/ustrojstvo-i-ekspluatatsiya-avtomobilya/pochemu-progorayut-klapana/

Источник

Источник




Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *