Что такое выпускной клапан
Выпускной клапан
Камера сгорания должна быть герметичной в момент, когда в ней вспыхивает топливо. После того как энергия вспышки израсходована, из камеры необходимо удалить отработавшие газы, заполнить ее воздухом и бензином, и подготовить к новой вспышке. Для удаления выхлопных газов в головке блока цилиндров установлены тарельчатые клапана, обеспечивающие надежную герметизацию камеры сгорания в момент, когда они закрыты.
Конструкция выпускного клапана
Клапанный механизм требует точной регулировки. Если клапан закрывается слишком рано, недогоревшие газы очень быстро сожгут его
Для надежной герметизации камеры сгорания во всех современных двигателях используются тарельчатые клапаны. Преимуществ у такой конструкции несколько. Клапан, состоящий из тарелки, и стержня, прост и надежен, как гвоздь. Переход от фаски к стержню выполнен плавно, что придает клапану необходимую прочность. Кроме того, коническая форма перехода способствует уменьшению сопротивления газов и улучшению герметизации.
Принцип работы выпускного клапана
Выпускной клапан открывается от усилия кулачка распределительного вала. Возвратно-поступательные движения шток клапан совершает во втулке, запрессованной в головку блока цилиндров.
В головке же находится и седло клапана. По сути, это углубление, чья форма соответствует форме верхней части тарелки. Седло и тарелка с высокой точностью притираются друг к другу. Это исключает прорыв газов из камеры сгорания в момент, когда клапана закрыты.
При появлении первой трещины на тарелке процесс разрушения приобретает характер цепной реакции. Чем больше трещина, тем больше перегрев от прорывающихся наружу струй несгоревшего топлива
Верхняя часть стержня выпускного клапана имеет выточку. В нее устанавливаются «сухари» – разрезанное на две половины коническое кольцо. С их помощью тарелка пружины держится на клапане. Пружина создает усилие, необходимое для возврата клапана в закрытое положение.
Отдельные автомобильные двигатели имеют специальный механизм для принудительного проворачивания клапана. Таким образом обеспечивается равномерный износ детали.
Выпуск отработанных газов происходит в тот момент, когда поршень цилиндра движется от нижней мертвой точки к верхней. Выпускной клапан ДВС работает в условиях повышенной нагрузки. Нагрев головки клапана во время работы двигателя может достигать 800 градусов.
Характерные поломки выпускных клапанов
Агрессивные отработанные газы вызывают коррозию выпускных клапанов. Продукты неполного сгорания топлива приводят к прогоранию.
После определенного периода работы тарелка выпускного клапана и седло в головке блока покрываются нагаром.
Высокая температура накаляет нагар. Происходит выжигание опорной поверхности выпускного клапана. Это влечет за собой потерю герметичности. Появляются нарушения в работе двигателя: падает мощность, затрудняется запуск двигателя. В образовавшиеся щели устремляется под давлением струя горячих неотработанных газов. Это еще сильнее нагревает головку клапана. Как результат – деформация головки и разрушение клапана. При разрушении клапана работа цилиндра фактически прекращается.
Способы защиты от перегрева
Чтобы противостоять эрозии от перегрева выпускные клапаны изготавливаются из жаростойкой стали (хромникельвольфраммолибденовая сталь).
Современные технологии дают возможность дополнительно защитить выпускные клапаны от агрессивного воздействия.
Выпускной клапан
Выпускной клапан – элемент ГРМ, при открытии которого происходит удаление (выпуск) отработавших газов из камеры сгорания двигателя.
Выпуск газов происходит тогда, когда поршень в цилиндре двигателя направляется от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ). В процессе работы двигателя выпускные клапаны подвергаются значительным термическим нагрузкам, так как постоянно контактируют с раскаленными отработавшими газами. Головка клапана при работе ДВС может разогреваться в пределах 600-800 градусов.
После окончания такта впуска и сжатия главным требованием в момент возгорания топлива в камере сгорания является максимальная герметичность. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Когда поршень принял на себя энергию расширяющихся газов после возгорания топливно-воздушной смеси, из камеры сгорания необходимо удалить эти отработавшие газы. Герметизация камеры на данном этапе уже не нужна. За удаление выхлопных газов в конструкции газораспределительного механизма отвечает выпускной тарельчатый клапан, который размещен в головке блока цилиндров (ГБЦ).
На такте впуска создается разряжение, а на такте выпуска в рабочей камере сгорания двигателя образуется повышенное давление. После сгорания смеси топлива и воздуха отработавшие газы покидают камеру сгорания через открывающийся в нужный момент выпускной клапан. Сила давления позволяет газам с легкостью выйти из рабочей камеры. Этим объясняется меньший размер тарелки выпускного клапана сравнительно с тарелкой впускного клапана. На такте впуска разрежение по своей силе меньше давления на выпуске. Выхлопные газы практически выталкиваются наружу через открытый выпускной клапан.
Эффективная герметизация камеры сгорания стала возможна благодаря использованию тарельчатых клапанов в конструкции ГРМ современных ДВС. Устройство клапана простое, элемент имеет тарелку и стержень. Фаска плавно переходит в стержень, что делает клапан достаточно прочным. Коническая форма перехода заметно снижает сопротивление выхлопных газов при выходе из камеры, а также дополнительно улучшает герметизацию.
Открытие выпускного клапана происходит благодаря полученному усилию от кулачка распределительного вала. Стержень (шток) клапана находится в направляющей втулке клапана, которая запрессована в ГБЦ. Кулачок распредвала нажимает прямо на шток клапана или на рокер, от которого усилие передается на стержень. В ГБЦ также размещено седло клапана. Седло клапана представляет собой углубление, которое по своей форме соответствует верхней части тарелки клапана. Тарелка клапана и седло клапана с филигранной точностью прижимаются друг к другу. Данное решение позволяет обеспечить максимальную герметичность в тот момент, когда закрыты впускной и выпускной клапаны. Главной задачей становится исключить прорыв газов из камеры сгорания.
На верхней части стержня клапана выполнена специальная выточка. Указанная выточка является местом установки «сухаря». Данный «сухарь» представляет собой коническое кольцо, которое разрезано на две равных части. Решение необходимо для крепления тарелки пружины клапана. Если открытие клапана осуществляется за счет «толчка» от кулачка распредвала, то закрытие клапана реализовано посредством усилия пружины клапана. Указанная пружина закрывает клапан, плотно прижимая тарелку к седлу. Дополнительно имеется механизм, который осуществляет проворачивание клапана. Это необходимо для равномерного износа клапана и очистки клапана от нагара.
В процессе эксплуатации любого ДВС тарелка клапана и седло покрываются нагаром. Избежать нагара на клапанах практически не представляется возможным. Наличие нагара вызывает постоянный перегрев выпускного клапана. Рано или поздно опорная поверхность клапана начинает выгорать, что приводит к потере герметичности в камере сгорания. Результатом становится прогрессирующая потеря мощности ДВС, затрудненный пуск и т.д.
Появившиеся от перегрева микротрещины на тарелке клапана постепенно увеличиваются, так как раскаленные газы под давлением начинают прорываться наружу из камеры сгорания. Головка клапана в таких условиях деформируется и далее разрушается. Выход клапана из строя фактически означает полную потерю цилиндром двигателя своей функциональности. После замены обязательно требуется притирка клапана к седлу для максимально точного прилегания. Игнорирование процедуры или некачественное выполнение притирки клапанов приведет к быстрому выходу нового клапана из строя.
Вполне очевидно, что перегрев является серьезной проблемой выпускных клапанов. Для изготовления выпускного клапана используется особая хромоникельмолибденовая сталь. Основой является никель, который повышает устойчивость выпускного клапана к механическому разрушению. Сталь для изготовления клапанов отличается высокой жаропрочностью.
Следующим шагом по снижению термонагруженности выпускного клапана становится его конструкция, которая отличается от устройства впускных клапанов.
Стержень выпускного клапана полый, полость заполнена металлическим натрием. Натрий расплавляется и перетекает внутри стержня клапана, что позволяет улучшить теплообмен и равномерно распределить нагрев.
Среди наиболее распространенных способов защиты отмечены:
Плазменно-порошковая наплавка считается одним из наиболее экономически и практически оправданных решений. Для такой наплавки используют различные металлические порошки, в основе которых лежит кобальт или никель. Технологии нанесения покрытия разные, но главной задачей каждого из указанных способов становится наплавление тонкого слоя защиты на поверхность клапана для повышения износостойкости, устойчивости к появлению коррозионных процессов и механическому разрушению.
Назначение впускного клапана двигателя. Материалы изготовления клапанов, стержень, тарелка, седло клапана. Основные неисправности клапанного механизма.
Как самому определить прогар клапана двигателя. Основные симптомы погоревшего клапана, точное выяснение причин троения мотора. Диагностика, полезные советы.
Назначение клапана ГРМ. Впускной и выпускной клапаны, устройство и особенности детали. Схемы компоновки и привод клапанов двигателя внутреннего сгорания.
Назначение газораспределительного механизма. Составные элементы ГРМ на четырехтактном поршневом двигателе, отличительные особенности конструкции механизма.
Почему гнет клапана при обрыве приводного ремня или цепи: причины обрыва. Как узнать, гнет ли клапана на конкретном бензиновом или дизельном двигателе.
Принцип действия системы изменения фаз газораспределения VVT. Гидроуправляемая муфта, ступенчатое регулирование VVTL-i, VTEC. Электромагнитный привод ГРМ.
Чем отличаются впускные и выпускные клапаны
Впускной клапан двигателя
Впускной клапан — элемент механизма газораспределения ДВС, который отвечает за пропуск в рабочую камеру сгорания топливно-воздушной смеси или только воздуха (для дизельных ДВС или моторов с непосредственным впрыском). Впускной клапан ГРМ осуществляет открытие доступа в цилиндр двигателя, а затем перекрывает доступ перед тем моментом, когда начнется такт сжатия.
Впускные клапаны изготавливают из особой стали. К такой стали для изготовления клапанов двигателя внутреннего сгорания выдвигаются отдельные требования:
Дополнительные требования к стали для клапанов предполагают отсутствие эффекта закаливания в момент охлаждения клапана после работы в условиях высоких температур. Это означает, что при остывании сталь не должна становится хрупкой. Данным требованиям на 100% не соответствует ни одна из разработанных сегодня марок стали.
Клапаны ДВС изготавливают из высоколегированных сильхромов, что позволяет указанной детали работать в условиях высочайшего нагрева. Такой подход обеспечил нужную прочность клапана, а также возможность элемента противостоять коррозионным процессам, которые активно прогрессируют в среде его работы при высоких температурах около 600 — 800 °C.
Клапаны размещают под определенным углом (30-45 градусов) по отношению к вертикальной оси. Отличием впускного клапана от выпускного является то, что его тарелка имеет больший диаметр сравнительно с тарелкой выпускного клапана. Такое различие вызвано тем, что момент открытия впускного клапана происходит именно тогда, кода в камере сгорания появляется разрежение. В момент выпуска в цилиндре имеет место повышение давления.
Разрежение в цилиндре на впуске уступает давлению по силе на такте выпуска. Для максимально качественного и полного наполнения рабочей топливно-воздушной смесью на впуске необходимы клапана с большей пропускной способностью. Такая пропускная способность реализована посредством увеличения диаметра тарелки впускного клапана или количества впускных клапанов.
Тарелка впускного клапана со стороны рабочей камеры сгорания плоская, а со стороны распределительного вала получает форму конуса. Данный конус еще называется фаской. В момент закрытия впускного клапана фаска прилегает к седлу клапана, которое также представляет собой коническое отверстие в ГБЦ.
Точность посадки впускного клапана обеспечена благодаря использованию направляющей втулки. В указанную втулку вставляется стержень клапана, а сама втулка называется направляющей клапана. Направляющие клапанов запрессованы в корпус ГБЦ, а также дополнительно зафиксированы посредством стопорного кольца.
Современные силовые агрегаты имеют тенденцию к увеличению количества впускных клапанов на цилиндр для улучшения пропускной способности, повышения эффективности наполнения цилиндра рабочей топливно-воздушной смесью и улучшения мощностных и других характеристик ДВС.
Клапан получает внутреннюю и наружную пружины. Данные цилиндрические пружины закрепляют на стержне клапана. Открытие впускного клапана на такте впуска становится возможным благодаря тому, что усилие от кулачка распределительного вала передается на рокера (толкатель). Конструкция современных ДВС подразумевает прямое воздействие кулачка распредвала на клапан. Пружины клапана плотно закрывают (прижимают) клапан обратно после того, как рокер сбегает с толкателя или стержень клапана прекращает контактировать с кулачком распредвала.
Между распределительным валом (его кулачком) и стержнем клапана (его торцевой частью) имеется конструктивный зазор. Такой зазор (может находиться на отметке 0,3-0,05 мм) создан для компенсации теплового расширения впускного клапана.
Открытие и закрытие впускных клапанов в четко определенный момент становится возможным благодаря угловому положению распредвала, которое в точности совпадает с аналогичным положением коленчатого вала ДВС. Получается, положение распредвала в момент открытия впускных клапанов строго соответствует положению коленвала. Конструкции двигателей могут отличаться, количество распредвалов может быть разным.
Впускной клапан начинает приоткрываться немного раньше того момента, когда поршень окажется в ВМТ (высшая мертвая точка). Это означает, что в самом начале такта впуска (когда поршень начинает опускаться вниз), впускной клапан уже немного открыт. Такое решение называется опережением открытия клапана. Различные модели силовых агрегатов имеют разное опережение, а рамки колебаний находятся в пределах от 5-и до 30-и градусов.
Закрытие впускного клапана осуществляется с небольшой задержкой. Клапан закрывается в тот момент, когда поршень в цилиндре оказывается в нижней мертвой точке и далее начинается движение вверх. Цилиндр продолжает наполняться и после начала движения поршня вверх. Такое явление происходит в результате инерционного движения во впускном коллекторе.
Основными неисправностями, которые напрямую связаны с клапанами ДВС, являются: загибание клапанов, зарастание клапанов нагаром и прогар клапана. Загибание клапанов чаще всего происходит по причине обрыва ремня ГРМ. Не менее часто гнет клапана и при неправильно выставленных метках в процессе замены приводного ремня ГРМ. Менять ремень ГРМ и выставлять метки на шкивах распредвала и коленвала нужно с повышенным вниманием.
Неисправностью клапанного механизма становится образование нагара на впускных и выпускных клапанах, что проявляется в повышенном шуме в процессе работы и падении мощности ДВС. Характерно появление металлического стука в области клапанной крышки на ГБЦ, а также проблемы с клапанами выявляют по хлопкам во впускном и выпускном коллекторе.
Нагар на клапанах и седлах не позволяет элементам плотно прилегать друг к другу, что ведет к потере необходимого показателя компрессии в двигателе. Снижение компрессии означает потерю мощности ДВС. Сильный нагар также приводит к перегреву и прогару клапана.
Неисправность пружин клапана может привести к деформации ГБЦ и заеданию стержня в направляющей клапана. Неправильный тепловой зазор между рычагом и стержнем приводит к сильному стуку клапанов. В таком случае необходимо немедленно заниматься выставлением требуемого производителем теплового зазора. Автолюбители называют эту процедуру регулировкой клапанов. Регулировать клапана нужно с определенной периодичностью в процессе эксплуатации мотора, а также если указанная возможность отрегулировать клапана двигателя изначально предусмотрена конструктивно.
Материалы и конструктивные особенности
В общем виде впускные и выпускные клапаны представляют собой стальную тарелку с длинным стержнем (штоком). По причине того, что клапаны подвергаются огромным тепловым и механическим перегрузкам, требования к материалам и технологиям их обработки довольно высоки. Изделия должны обладать следующими свойствами:
В тандеме с клапанами работают пружины, отвечающие за возврат клапана в седло после снятие нагрузки от распредвала и его удержания в закрытом положении, т.е. обеспечения плотной посадки. Также в газораспределительном механизме имеются направляющие втулки, дающие клапанам верное направления для совершения возвратно-поступательных движений. Обычно направляющие втулки имеют форму разборной муфты для более простой выпрессовки и запрессовки по необходимости. В отдельных случаях втулки являются одним целым с головкой цилиндра.
Сегодня на изготовление клапанов обычно идут высоколегированные сильхромы и аустенитные стали, устойчивые к экстремальным нагревам при температурах 350-900°C (зависит от типа клапана). Изделия не закаливаются, так как это повышает хрупкость материала. Сразу отметим, что фактически материалам клапанов столь высоки, что полностью им не соответствует ни одна из марок стали. Впрочем, качественные изделия достаточно живучи для того, чтобы прослужить столько же, сколько обычно служит двигатель автомобиля в принципе. При описании геометрии, конструктивных элементов и особенностях изготовления клапанов учитывают:
Впускные и выпускные клапаны имеют отличную геометрию и не являются взаимозаменяемыми. Основное отличие – диаметр тарелки D – тяжело заметить невооруженным взглядом. Также могут незначительно отличаться длины стержней. Пример геометрии (1 – впускной клапан; 2 – выпускной): 1) D = 29 mm, L = 91,3 mm; 2) D = 25 mm, L = 90,2 mm. Однако есть исключение. В большинстве газораспределительных систем общее число клапанов является четным числом. Если число нечетное, то у выпускных клапанов будут тарелки больше диаметра, нежели у впускных. По этой причине при поиске запчастей для ремонта двигателя водителю необходимо проверять коды, уточнять совместимость и изучать геометрические параметры, если они есть в описании изделий.
Впускной и выпускной клапан — отличия
Главное отличие впускного клапана от выпускного – диаметр тарелки: у впускного она больше. Почему? Потому что всасывание воздуха из атмосферы в цилиндр под действием разрежения происходит с меньшей скоростью, чем выталкивание его из цилиндра поршнем.
Все просто: количество воздуха (или топливовоздушной смеси) – одинаковое, а скорость – разная. Соответственно, там, где скорость ниже, отверстие шире, а закрывающая его тарелка – больше в диаметре.
Все это справедливо для тех клапанных механизмов, где впускных и выпускных клапанов – равное количество – по одному или по два. Впрочем, есть моторы с нечетным количеством клапанов: два впускных + один выпускной или три впускных + два выпускных. Тут все наоборот: диаметр тарелок выпускных клапанов будет больше, чем у впускных, ибо производитель компенсировал низкую скорость всасывания добавлением одного «лишнего» отверстия, а не увеличением диаметра. Подробнее о соотношении клапанов и цилиндров можно прочитать в соответствующей статье.
Второе важное отличие в конструкции клапанов – их рабочая температура. Впускные клапаны работают при 350-500 градусах, а вот выпускным тяжелее – раскаленные отработавшие газы нагревают их до 700-900 градусов. Поэтому, соответственно, выпускные клапаны часто делают более жаропрочными.
KnowCar — понятная энциклопедия по устройству автомобилей, где сложное описано простым языком, с иллюстрациями и видео, а статьи рассортированы по разделам. Энциклопедия в процессе наполнения. Если есть вопросы или предложения, свяжитесь с командой. Все контактные данные — внизу сайта.
Клапаны с полым стержнем и деформацией седла
В некоторых типах особо мощных двигателей используются выпускные клапаны с полым стержнем, заполненным металлическим натрием. Натрий при нагреве клапана до рабочей температуры расплавляется, превращаясь в жидкость. Этот расплав плещется в канале стержня и отводит тепло от головки клапана в стержень. Далее тепло передается через направляющую втулку клапана и поглощается системой охлаждения. Монолитная конструкция впускного и выпускного клапана при правильном выборе материалов обеспечивает, как правило, хорошие эксплуатационные характеристики автомобильных двигателей.
Клапан прижимается к седлу рабочей фаской, герметично закрывая камеру сгорания. Седло обычно формируется как элемент конструкции в отливке чугунной головки блока цилиндров — такое седло называется встроенным седлом. Седла обычно подвергаются индукционной закалке, чтобы можно было использовать неэтилированный бензин. Это обеспечивает замедление износа седел в процессе эксплуатации двигателя. В процессе износа седла клапан все глубже садится в него — утапливается. В тех случаях, когда коррозионная стойкость и износостойкость должны быть особенно высокими, всегда используются вставные седла. В алюминиевых головках седла и направляющие втулки клапанов — только вставные. Необходимо отметить, что в алюминиевых головках рабочая температура седел выпускных клапанов на 180°Ф (100°С) ниже, чем в чугунных. Вставные седла используются в качестве спасительной меры при восстановлении сильно поврежденных встроенных седел клапанов.
Деформация седла является основной причиной преждевременного выхода из строя клапанов. Деформация седла клапана может быть обратимой — как результат воздействия высокой температуры и давления, или необратимой — как результат действия внутренних механических напряжений. Механическое напряжение — это сила, действующая на тело, которая стремится изменить его форму.
Устройство газораспределительного механизма
Газораспределительный механизм состоит из следующих элементов:
Схема устройства ГРМ
Таково устройство ГРМ и общая схема газораспределительного механизма. Теперь следует разобраться, каков принцип работы газораспределительного механизма.
Признаки неисправности клапанов
Несмотря на простую конструкцию и внушительный эксплуатационный ресурс, как впускные, так и выпускные клапаны периодически выходя из строя. Последние страдают чаще, так что стоит сосредоточиться на их проверке, если вы столкнулись со следующими проблемами:
Последнее связано с неправильной регулировкой или выходом из строя гидрокомпенсаторов, если двигатель автомобиля ими оснащен. Автолюбителю стоит обратиться в автосервис. Специалисты приступят к частичной разборке двигателя и выяснят, связана ли ненормальная работа двигателя с неисправностью клапанов. Если причина проблем кроется именно в клапанах, то вот что можно обнаружить при их осмотре:
Зачастую при наличии проблем с клапанами рядовые автолюбители и даже специалисты говорят об их прогорании. Как показала практика, прогорание клапана является синонимом скола или сильной деформации тарелки по причинам, которые указаны в списке выше. Избежать этих проблем непросто. Вот основные причины прогорания: заводской брак, неверная величина теплового зазора, использование неподходящего топлива, износ направляющей втулки, старение пружины, износ колец цилиндров, износ маслосъемных колпачков, недостаточная эффективность работы системы охлаждения ДВС. Читатель мог подумать, что заводской брак не должен быть одной из главных причин выхода клапанов из строя. К несчастью это так, а согласно некоторым исследованиям, каждое пятое изделие на вторичном рынке автозапчастей является бракованным. По этой причине автолюбителям особенно важно знать, как правильно выбирать впускные и выпускные клапаны и продукции какой фирмы отдавать предпочтение.
Средства для чистки нагара на клапанах
Многих автовладельцев интересует вопрос о том, чем отмыть нагар на клапанах? В настоящее время существует ряд химических средств, предназначенных непосредственно для удаления такого нагара. Как правило, это присадки, добавляемые в топливо. Они смешиваются с бензином, и в процессе сгорания вместе с топливовоздушной смеси размягчают этот состав, способствуя его сжиганию вместе с топливом. Среди таких присадок особой популярностью у автовладельцев пользуются:
Также кроме фабричных средств нагар с клапанов можно удалить при помощи ортофосфорной кислоты. Можно использовать не чистый ее состав, а разбавленный. Она отлично удаляет различные отложения, поэтому хорошо справится и с нагаром. Проверено автолюбителями на практике! Интересно, что в составе популярного напитка Coca-Cola также в небольшом количестве имеется ортофосфорная кислота, поэтому его также можно использовать для отмывки загрязнения.