Как работают клапаны двигателя
Клапан, который пропускает в цилиндр смесь воздуха и топлива, называется впускным. Клапан, через который отработанные газы покидают двигатель, называется выпускным. Для эффективной работы двигателя при любой скорости эти клапаны должны открываться в определенные моменты.
За этот процесс отвечают грушевидные детали (кулачки), которые крепятся к распределительному валу, вращающемуся под действием цепи, ремня или набора шестерен.
Распределительный вал может находиться в верхней части блока. В этом случае над каждым кулачком вала располагаются небольшие металлические цилиндры (толкатели). Когда конец толкателя упирается в коромысло, кулачок воздействует на ножку клапана, который удерживается в поднятом (закрытом) состоянии с помощью сильной пружины.
Двигатель с верхним расположением распределительного вала
В подобной конструкции вал, расположенный в верхней части двигателя, работает под управлением ремня с внутренними зубьями, и контуры кулачков напрямую взаимодействует с толкателями, расположенными над клапанами.
Когда толкатель давит на кулачок, он задействует коромысло, которое ослабляет пружину и открывает клапан. При дальнейшем вращении контура пружина возвращается в первоначальное положение, и клапан закрывается. Такая конструкция характерна для двигателя с верхним расположением клапанов в головке цилиндра.
В некоторых двигателях отсутствуют толкатели, и клапаны открываются и закрываются с помощью двойных или одинарных распределительных валов.
Такая конструкция носит название двигателя с одним распределительным валом и клапанами в головке. В ней меньше подвижных частей, поэтому она является более мощной и может работать на высоких скоростях. В любом случае, между деталями присутствует зазор, чтобы клапан мог свободно закрываться и открываться, когда те расширяются при нагревании.
Зазоры между ножкой клапана и коромыслом или кулачком необходимы для нормальной работы системы, а их отсутствие может вызвать серьезные повреждения составных частей.
При слишком большом зазоре клапаны будут открываться слишком рано, а закрываться слишком поздно, что снизит мощность двигателя и увеличит уровень производимого им шума.
При малом зазоре клапаны не будут нормально закрываться, что приведет к ослаблению компрессии.
В некоторых двигателях зазоры регулируются автоматически под давлением смазочной жидкости.
Распределительный вал с толкателями
При конструкции, согласно которой распределительный вал находится в блоке цилиндров, длинные штанги толкателей воздействуют на коромысла, открывающие клапаны. Двигатели с верхним расположением клапанов в головке цилиндра считаются менее эффективными, чем двигатели с одним распределительным валом и клапанами в головке, т.к. большое количество подвижных частей ограничивает скорость, при которой двигатель может безопасно работать.
В двигателе с верхним расположением распределительного вала и штангами коленчатый вал находится в головке цилиндров.
При вращении вала каждый клапан открывается с помощью толкателя, штанги и коромысла. Клапан удерживается в закрытом состоянии пружиной.
Количество зубьев на звездочке ведущей цепи в два раза превышает количество зубьев на шестерне распределительного вала, поэтому вал вращается в два раза медленнее, чем двигатель.
Двигатель с одним распределительным валом и клапанами в головке
В некоторых моделях кулачки напрямую воздействуют на короткие рычаги, именуемые пальцами.
Двигатель с одним распределительным валом и клапанами в головке содержит меньше деталей для управления клапанами. Кулачки напрямую взаимодействуют с толкателями или короткими рычагами (пальцами), которые, в свою очередь, открывают и закрывают клапаны.
Такая система обладает меньшим весом и технической сложностью, т.к. в ней отсутствуют штанги толкателей и коромысла.
Для управления распределительным валом с помощью звездочки на коленчатом вале часто используется длинная цепь, которая иногда провисает. Эта проблема решается добавлением промежуточных звездочек и нескольких коротких цепей с большим натяжением.
Кроме того, могут быть использованы нерастягиваемые резиновые маслоупорные ремни с зубьями, которые цепляются к звездочкам на распределительном и коленчатом валах.
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
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» в его двигателе.
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.
Посмотрите это: Наконец-то поймите, что производитель вашего автомобиля хвастается технологией регулируемых клапанов
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 для выпуска выхлопных газов из этого сгорания из цилиндров — они называются выпускными клапанами.
Выделены клапаны двигателя, расположенные в головке (здесь невидимы), непосредственно над цилиндрами.
Фольксваген Это может звучать как пара валторн в оркестре, но на самом деле клапаны 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.
MAT Foundry GroupПо мере того, как кулачок продолжает вращаться, его верхняя часть отходит от клапана, и пружина возвращает клапан в закрытое положение.
Есть три основных параметра, определяющих 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 во время работы 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.
CNETЭто 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.
Узкий остроконечный выступ кулачка открывает клапан на короткое время, в то время как более широкий выступ кулачка тратит больше времени, удерживая клапан открытым при вращении распределительного вала.
Создание всех этих переменных
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.
Изменяемая 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.
Этот переход VTEC от менее открывающегося кулачка к более открытому породил один из самых распространенных мемов во всем автодоме.
Переменная продолжительность
Продолжительность воздействия кулачка на клапан, возможно, было самым трудным фактором для изменения, но Hyundai новая технология CVVD недавно сделала это. Он изменяет продолжительность, слегка сдвигая распределительный вал в сторону от его центральной линии вращения при его вращении. Это невыносимо сложный механизм, но именно поэтому он появился спустя десятилетия после двух предыдущих переменных технологий. Он должен появиться в некоторых новых автомобилях Hyundai в конце 2020 года.0003
Будущее
Все это довольно впечатляющая технология, но, честно говоря, это просто сложный набор лейкопластырей для столетней автомобильной технологии: клапанов, приводимых в действие распределительным валом.
В будущем мы могли бы отказаться от всего аппарата Руба Голдберга и управлять автомобилями с прямым бескулачковым приводом клапана — новой технологией, использующей простой соленоид или электродвигатель для управления каждым клапаном.
Или просто поедешь на электромобиле и забудешь обо всей этой ерунде.
Клапаны в двигателе — как они работают
Из нашего безумно подробного руководства:
Газы поступают в камеру сгорания и выходят из нее через каналы в головке блока цилиндров, называемые портов . Этот поток газов контролируется клапанами. Есть два набора клапанов — один набор для управления впуском и один набор для выпуска. Клапаны должны создавать минимальное препятствие для потока газов, когда они открыты, и создавать газонепроницаемое уплотнение, когда они закрыты.
На такте впуска
выпускной клапан открывается на такте выпуска, так что сгоревшая смесь может быть вытеснена движением поршня вверх.Клапаны управляются распределительным валом, который в нужный момент толкает каждый клапан в открытое положение либо напрямую, либо через рычажный механизм. Клапаны должны быть синхронизированы с поршнем, чтобы они открывались и закрывались в нужный момент хода поршня. А ремень ГРМ (cambelt по-британски) или Цепь ГРМ проходит между коленчатым валом и распределительным валом, связывая их вместе, сохраняя их синхронизированными.
Клапан в сборе
В первых двигателях экспериментировали со всеми видами клапанов, но примерно сто лет во всех автомобильных двигателях использовалась одна и та же конструкция: тарельчатый клапан.
Каждый клапан находится в круглом отверстии в крыше камеры сгорания. В закрытом состоянии между клапаном и поверхностью, к которой он прижимается, будет плотное уплотнение, известное как седло клапана .
Клапан остается закрытым за счет пружина клапана который давит на диск, прикрепленный к штоку клапана, называемый фиксатор .
Давление, вытесняющее выхлопные газы, сильнее, чем вакуум, втягивающий воздух и топливо. Легче выдувать газы давлением, чем всасывать их вакуумом. Вы можете попробовать это сами, дыша через соломинку для питья, наполнение легких занимает больше времени, чем их опорожнение. Это означает, что выхлопные газы движутся легче, поэтому впускные клапаны больше (или их больше), чем впускные клапаны, чтобы обеспечить большую площадь для впускного потока.
Клапан
Сам клапан состоит из круглой головки, соединенной с длинным штоком. Шток проходит в направляющей клапана и гарантирует, что клапан может двигаться только вверх и вниз, а не качаться из стороны в сторону.
Клапан состоит из двух частей, которые затем свариваются между собой. Головка обычно изготавливается из нержавеющей стали, а шток из высокоуглеродистой стали.
Клапаны в основном изготавливаются из закаленной стали или из более экзотических материалов, таких как титан в высокопроизводительных двигателях.
Когда клапан закрыт, он соприкасается с поверхностью по периметру порта клапана. Эта поверхность, на которой сидит клапан, называется седло клапана . Седло должно быть гладким, так как оно обеспечивает уплотняющую поверхность, а максимальный контакт между клапаном и седлом гарантирует, что головка блока цилиндров сможет поглощать тепло от клапана. С чугунной головкой седло клапана будет врезано непосредственно в головку, тогда как для более мягких алюминиевых головок, которые не могут противостоять коррозии выхлопных газов, седло клапана будет сделано из более прочного металла и запрессовано в головку.
Впускной и выпускной клапаны нагреваются во время работы. Это тепло должно рассеиваться, и это тепло в основном передается через поверхность клапана, через седло клапана и в головку цилиндров, где оно уносится протекающей охлаждающей жидкостью.
Тепло также проходит вверх по штоку и через направляющие клапана в головку. Стержни некоторых высокопроизводительных клапанов заполнены натрием, который плавится и разбрызгивается внутри штока для улучшения теплопередачи.
[Схема теплового потока в клапанах]
Выпускные клапаны служат дольше, чем впускные, они подвергаются более высоким температурам, поскольку горячие выхлопные газы обтекают их и позади них. Они проводят свой срок службы в тесном контакте с горячими коррозионно-активными выхлопными газами, поэтому изготавливаются из особо прочных, термостойких и коррозионностойких материалов.
Направляющие клапанов
Клапаны проходят через отверстие в порту, это отверстие будет облицовано прецизионной фрезерованной трубкой, называемой направляющая клапана . Направляющая клапана очень плотно прилегает к штоку клапана, чтобы предотвратить любое движение из стороны в сторону или качание. Плотная посадка означает, что торец клапана идеально выровнен с седлом клапана.
Этот малый зазор предотвращает утечку масла в отверстие, а также помогает предотвратить попадание сжатых газов через шток клапана в головку блока цилиндров.
Направляющие клапанов дополнительно уплотнены уплотнение штока клапана , который в основном представляет собой уплотнительное кольцо, которое уплотняет шток клапана, предотвращая попадание избыточного масла и газов через направляющую клапана в порт. Небольшое количество масла желательно в направляющей клапана для предотвращения износа и обеспечения плавного хода.
Пружина клапана
Каждый клапан удерживается в закрытом состоянии пружина клапана . Пружина удерживает клапан в закрытом состоянии, а также удерживает узел клапана в контакте с распределительным валом или коромыслом, когда клапан открыт. Чтобы открыть клапан, клапанный механизм должен нажимать, преодолевая натяжение пружины. Прочность пружины клапана имеет большое значение.
[Иллюстрация поплавка клапана]
Слишком сильный, и мы тратим энергию на открытие и закрытие клапанов, а также увеличиваем износ клапанного механизма.
Пружина клапана располагается вокруг штока клапана и давит вверх на круглую пластину, называемую Держатель клапана который фиксируется вокруг штока клапана.
Фиксатор крепится к штоку с помощью двух Держатели клапанов (также известные как сухари клапана, цанги или замки). Стопоры клапанов имеют коническую форму и входят в канавки на штоке клапана, предотвращая скольжение фиксатора вверх по штоку.
Толкатели клапанов
Толкатель клапана , также именуемый толкатели клапанов или толкатели , представляют собой цилиндрические прокладки, которые располагаются между верхней частью штока клапана и кулачком кулачка или коромыслом. О них мы подробно поговорим в статье о распредвале.
распределительный вал
Функция клапанов очень тесно связана с функцией распределительного вала, и они действуют вместе, при этом распределительный вал управляет открытием и закрытием клапанов. Прочтите статью о распределительном валу, чтобы получить полное представление о клапанном механизме.
Неисправности клапана
Поврежденные клапаны могут привести к плохой компрессии и серьезным проблемам с двигателем. Результат отказа клапана в одном цилиндре будет находиться где-то по шкале между неработающим двигателем и плохой работой — в зависимости от количества цилиндров в двигателе.
Отказ клапана почти всегда приводит к потере компрессии в пораженных цилиндрах из-за отказа клапана закрыть камеру.
Прогоревшие клапаны
А прогоревший клапан происходит, когда часть поверхности клапана повреждена в результате перегрева или коррозии. Если клапан не садится идеально из-за того, что он погнут или из-за небольшой трещины, выхлопные газы могут просачиваться через небольшой участок клапана.