Клапан двигателя: Страница не найдена — Автомобильные двигатели

Содержание

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.

Как проверить, не заедает ли клапан двигателя автомобиля?

Каждый двигатель имеет впускной и выпускной клапаны. Клапаны открываются, чтобы дать возможность поступить топливу и выпустить отработанные газы. Они закрываются по завершении цикла. Стержень клапана расположен в длинных трубчатых направляющих, вдоль которых он движется. Распределительный кулачковый вал поднимает и опускает клапан каждый раз, либо клапан автомобиля снабжен коромыслом клапана, рессорами, подъемником и штоком толкателя клапана для упрощения процесса.

Иногда случается, что один из клапанов двигателя заедает в открытом или закрытом положении, вызывая этим перебои в работе двигателя. Заедание клапана может серьезно сказаться на работе двигателя и значительно сократить срок его службы. Чтобы предотвратить поломку двигателя, следует незамедлительно провести диагностику на наличие повреждений.

* Проверьте, горит ли контрольный сигнал двигателя, расположенный на приборной панели, который должен загораться при нормальной работе и во время движения автомобиля. Если сигнальная лампа горит у индикатора выхлопов, это может означать, что проблема непосредственно в слишком холодном двигателе. Датчик количества кислорода в выхлопных газах может передавать неправильные данные о пропорциях воздушно-топливной смеси в систему выпуска отработанных газов.

* Проверьте, нет ли перебоев в работе двигателя сразу после его запуска. Холодный мотор будет усиливать заедание клапана, поскольку стержень клапана и трубчатые направляющие в охлажденном состоянии имеют минимальный зазор. После разогрева двигателя также могут быть перебои в работе и кратковременные остановки.

* Следите, не горит ли на приборной панели индикатор перегрева двигателя. Заклинивший выпускной клапан в закрытом положении создает повышенную температуру у цилиндров. Послушайте, нет ли звенящих или дребезжащих призвуков в шуме двигателя вместе с ранним зажиганием (после сжигания дополнительного топлива). Горячие участки на конусе цилиндра и днище поршня могут служить причиной подобных шумов.

* Проверьте, не идет ли какой-нибудь необычный запах из-под капота автомобиля рядом с каталитическим конвертером. Запах протухших яиц или сильный серный указывает на сатурированный каталитический конвертер, который не может сжечь насыщенную топливную смесь. Впускной клапан, заклинивший в открытом положении, пропускает слишком много плохо сгоревшего топлива через систему выпуска отработанных газов.

* Откройте крышку головки цилиндра двигателя. Найдите подходящий паз и резко дерните крышку с усилием. Если у вас четырехцилиндровый или рядный шестицилиндровый двигатель, откройте крышку одинарного клапана. Отсоедините все провода. С чьей-либо помощью переверните двигатель. Проверьте, насколько подвижны все пружины клапана и головка цилиндра. Каждая пружина в отдельности должна двигаться вверх и вниз с регулярным ритмом. Если какая-то пружина не двигается, болтается или двигается с трудом, это указывает на заедающий клапан.

* С помощью инструмента для монтажа контактов отсоедините проводку свечей зажигания от каждого цилиндра. Запомните расположение перемычек. Выкрутите свечи зажигания с помощью ключа из гнезд. Проверьте электроды искровых свечей. Они все должны быть желтовато-коричневого цвета. Если один из электродов влажный, покрыт налетом, темно-коричневого или черного цвета, все это указывает на неправильные пропорции топливной смеси либо на проблему перегрева, связанную с заклинившим клапаном (при условии, что у всех свечей достаточная искра).

* Вкрутите компрессометр рядом с одним из цилиндров. Убедитесь, что провод катушки отсоединен. Попросите помощника прокрутить двигатель шесть-семь раз и остановить мотор. Посмотрите данные psi (фунтов на каждый квадратный дюйм) на указателе компрессии и запишите их. Проверьте таким способом с помощью компрессометра все цилиндры и запишите данные. У всех цилиндров должны быть высокие показатели, каждый должен показывать не ниже 30 фунтов, и у всех показания должны быть примерно одинаковыми. При заклинившем впускном или выпускном клапане в открытом или полуоткрытом положении заметно падает уровень компрессии в цилиндрах. Если показания будут на нулевой отметке, значит, один из клапанов заклинило в полностью открытом положении.

Клапана газораспределения дизельных двигателей, впускной клапан, выпускной клапан / НЕВА-диз

 

Постоянно на складе и под заказ впускные и выпускные клапана газораспределения судовых двигателей:

                                                                   

клапан впуска 4Ч 8,5/11
клапан выпуска 4Ч 8,5/11
клапан впуска 6Ч 9,5/11
клапан выпуска 6Ч 9,5/11

 


клапан впускной 4Ч 10,5/13
клапан выпускной 4Ч 10,5/13
клапан впускной 6Ч 12/14
клапан выпускной 6Ч 12/14

клапан впускной 3Д6/Д12
клапан выпускной 3Д6/Д12

клапан впускной 6ЧН 18/22
клапан выпускной 6ЧН 18/22

клапан впускной 6ЧН 25/34
клапан выпускной 6ЧН 25/34

клапан впускной 6Ч 23/30
клапан выпускной 6Ч 23/30
клапан впускной Г60 (6ЧН 36/45)
клапан выпускной Г60 (6ЧН 36/45)

клапан впускной 6S 160
клапан выпускной 6S 160

Клапаны (впускной клапан, выпускной клапан) – детали двигателя, служащие для периодического открывания и закрывания отверстий впускных и выпускных каналов в зависимости от положения поршней в цилиндре и от порядка работы двигателя.

Клапаны расположены в головке цилиндров под углом к вертикальной оси цилиндров. Стальной впускной клапан изготовлен цельным, а выпускной состоит из двух частей, соединённых в заготовке сваркой. Верхняя часть клапана — его стержень — изготовлена из стали, имеющей высокую износостойкость, нижняя часть стержня и головка выпускного клапана сделаны из термостойкой стали.

Уплотнительной поверхности клапанной головки приходится входить в соприкосновение с клапанным седлом до 70 раз в секунду. Возникающие при этом динамические усилия, а также силы клапанных пружин и давление воспламенения представляют собой весьма серьезное испытание для этих деталей.

Особенно сильному нагреву подвергается выпускной клапан: отработанный газ имеет температуру до 800°С. В течение того короткого времени, пока рабочие поверхности входят в соприкосновение друг с другом, необходимо осуществить максимальную передачу тепла с клапанного седла на головку цилиндра.
Правильный выбор впускных/выпускных клапанов
Выбор материала

При выборе клапанов для форсированного двигателя наибольшее количество вопросов вызывает именно выбор материала. Производители предлагают широкий выбор материалов, удовлетворяющий требованиям практически любого двигателя. Некоторые производители имеют в своем ассортименте один-два типа материала, заявляя при этом о его универсальности и том, что он подходит ко всем моторам. Однако если взять в расчет условия, в которых приходится работать клапанам, становится понятным необоснованность таких заявлений, один тип материала ни в коем случае не может подойти ко всем без исключения двигателям. Основная разница между впускными и выпускными клапанами состоит в различных рабочих температурах. Выпускные клапаны находятся под постоянным воздействием крайне разрушительных газов, а температуры часто превышают рубеж 760°С. Впускные же клапаны постоянно охлаждаются потоками воздушно-топливной смеси и не разогреваются до таких температур. Специфические сплавы впускного клапана при своей не слишком высокой рабочей температуре могут оказаться прочнее нержавеющей стали выпускного клапана.

Конструкция головки клапана

Форма головки клапана и ее размеры имеют особое значение для мощности двигателя. А ключевым звеном является диаметр головки и угол седла. Клапаны, имеющие вогнутую со стороны камеры сгорания головку, — несколько легче обычных, но из-за увеличенного объема камеры сгорания имеет место некоторое падение компрессии. Диаметр головки клапана прямо пропорционально связан с интенсивностью прохождения потоков воздушно-топливной смеси и, следовательно, мощностью двигателя. То есть клапан должен иметь достаточный для свободного прохождения потоков смеси диаметр головки. Повысить мощность двигателя можно установив в головку блока клапаны с увеличенным диаметром головок. Такие клапаны, однако, имеют и недостаток – заметное снижение пиковой мощности и крутящего момента. Выбор диаметра клапана в итоге оказывается компромиссом между низкими оборотами и пиковой мощностью, определяющим же фактором при этом является предназначение двигателя. В обычных, нетурбированных двигателях, диаметр головки впускного клапана больше диаметра выпускного на 25%.
Угол седла клапана

Угол седла клапана обычно определяется производителем двигателя, хотя измерить его можно в любой мастерской. Даже если в распоряжении мастерской имеется гидростенд, лучше не испытывать судьбу и следовать рекомендациям производителя относительно угла седла, поскольку его значение имеет огромное значение. При обработке седла клапана необходимо уделять особое внимание точности. Для того, чтобы контактная поверхность седла соприкасалась с нужной точкой фаски клапана и имела требуемую ширину (1,15 – 1,5 мм), седло должно быть обработано под несколькими углами. Профессионально обработанные седла (как показано на рисунке 1) могут существенно повысить мощность двигателя. При измерении углов нужно быть внимательным, в некоторых двигателях, как, например, у показанного на рисунке 2 двигателя Honda S2000, имеют место сужающиеся углы.
Обработка нижней части головки клапана – полировка

Форма нижней части головки клапана и качество ее обработки также влияет на прохождение потоков смеси через клапан. Нижняя поверхность головок высококачественных клапанов проходит специальную механическую обработку, повышающую прочность клапана и облегчающую прохождение потоков смеси. Полировка имеет несколько положительных сторон. Во-первых, благодаря удалению с поверхности всех неровностей первичной обработки облегчается прохождение потоков смеси, а во-вторых, в процессе полировки удаляются все возможные концентраторы напряжения.
Конструкция штока клапана – диаметр и выточка на штоке

Именно шток является опорной поверхностью, контактирующей с направляющей клапана. Упор же клапана должен обладать достаточным запасом прочности, способным выдерживать постоянные нагрузки, передаваемые на клапан качающимся рычагом. Диаметр штока зависит от того, какой вес и запас прочности ожидается от клапана. Некоторые клапаны премиум-класса имеют вырезку на штоке. Вырезка уменьшает диаметр в области ниже направляющей и ощутимо увеличивает проходимость смеси при низком подъеме головки клапана. При этом слегка снижается вес клапана. Существенно снизить вес клапана можно уменьшив диаметр его штока.
Покрытие клапана и его зазор

Хромирование штока клапана увеличивает его долговечность в условиях недостаточного смазывания. Это особенно актуально для сильно разогревающихся выпускных клапанов. В настоящее время покрытие имеют все более или менее качественные клапаны, что позволяет удовлетворить требованиям самых строгих маслосберегающих технологий. Зазор между штоком клапана и направляющей зависит от многих факторов: диаметра штока, предназначения двигателя, свойств материала направляющей и типа сальника клапана. Клапаны, имеющие недостаточный зазор, могут привести к значительно большим повреждениям двигателя, чем клапаны с чрезмерным зазором. Наиболее распространенные значения зазора впускных клапанов – 0,04-0,06 мм, выпускных – 0,05-0,075 мм.
Конструкция замка клапанной пружины

Наиболее распространенная конструкция замка клапанной пружины – прямоугольной формы канавка. Компоненты такого замка представлены в широком ассортименте форм и типов материалов. Кроме этого свою эффективность доказали и многоканавочные замки, позволяющие клапану вращаться независимо от пружины и ее тарелки. Благодаря этому достигается равномерный износ и чистота контактных поверхностей фаски клапана и седла, а это в свою очередь увеличивает долговечность клапана. И хотя среднестатистический автомобиль великолепно работает с многоканавочной конструкцией замка тарелки пружины, для форсированных двигателей рекомендуется одноканавочная конструкция. Полукруглая форма канавки замка объективно нужна только в клапанах с очень маленьким диаметром штока, работающих на пределе прочности. Поломка клапана в области канавки замка – довольно нетипичное явление.
Конструкция упора клапана

Упор клапана должен обладать достаточным запасом прочности, чтобы противостоять постоянному давлению качающегося рычага. Нержавеющую сталь невозможно закалить до такого уровня, чтобы она выдерживала подобные нагрузки, поэтому упор необходимо либо наваривать, либо делать съемным. Сплавы не на основе нержавеющей стали хорошо поддаются закалке и не нуждаются в наварных упорах или других укрепленных элементах. Шток клапана с многоканавочной конструкцией замка должен быть закален в области канавок либо наварен, если материал головки – нержавеющая сталь.
Вес клапана

Вес двигателя может быть фактором, ограничивающим обороты двигателя. Этот фактор обязательно нужно учитывать при его конструировании. При этом, учитывая больший размер впускных клапанов, им нужно уделять особое внимание. Вырезка на штоке клапана – незначительное снижение веса. Большого результата можно добиться, уменьшив диаметр штока клапана. Титановые клапаны хотя и дорого стоят, но имеют существенно меньший вес, что положительно сказывается на оборотах двигателя и долговечности пружин клапанного привода.
Зазор между поршнем и клапаном

Ни один клапан не выдержит удара о поршень. Основной причиной выхода из строя головок блока является именно такие удары. Рекомендуемый зазор между ними – 2,5 мм, хотя это значение и может показаться слишком большим. Безусловно. Меньший зазор обеспечит лучшие результаты, но при этом придется жертвовать надежностью двигателя.
Материалы для производства впускных и выпускных клапанов

Материалы для производства клапанов должны удовлетворять всем требованиям двигателя. Термин “нержавеющая сталь” обычно применяется по отношению ко сплавам стали, содержащим как минимум 10% хрома. Как будет показано ниже, сплав сильхром 1 приближается к этому уровню при том что стоимость его остается на уровне дешевых высокоуглеродистых сплавов.

Sil XB, 422, 21-2N и 21-4N: сплавы нержавеющей стали.

1541: высокоуглеродистая сталь с добавками марганца, повышающими коррозионную устойчивость. 8440: стальной сплав, пригодный для производства работающих с повышенными нагрузками клапанов. Для повышения термостойкости в сплав добавлен хром.

Sil1: стальной сплав с 8,5% содержанием хрома, пригодный для производства работающих с повышенными нагрузками клапанов. Используется для изготовления высококачественных впускных клапанов.

Sil XB: ферритный сплав, содержащий 20% хрома и 1,3% никеля. Используется для производства впускных клапанов, работающих с высокими нагрузками.

422: сплав нержавеющей стали, используемый для изготовления высококачественных впускных клапанов. Сплав разработан специально для впуcкных клапанов, диапазон рабочих температур его не подходит для изготовления выпускных клапанов. Клапаны из этого сплава часто имеют обозначение “для жестких условий”.

Ti-6: титан – легкий неферритный материал, применяемый для изготовления клапанов, работающих в высокооборотистых спортивных двигателях. Он на 40% легче стали и сохраняет прочность при высоких температурах. Обычно из титана изготавливаются впускные клапаны большого диаметра, хотя можно встретить и выпускные клапаны из этого материала.

21-2N: аустенитный стальной сплав, содержащий 21% хрома и 2% никеля. Наиболее популярный материал для изготовления выпускных клапанов, сохраняет свойства при существенных повышениях температуры. Благодаря дополнительной обработке характеристики клапана из такого материала можно приблизить к оптимальным. В итоге получается недорогой и очень качественный клапан.

21-4N: аустенитный стальной сплав, похожий по качествам на 21-2N, но с более высоким содержанием никеля (4%). Используется как альтернатива сплаву 21-2N.
                                                       

Клапаны газораспределительного механизма двигателя

На верхней части стержня выполнена кольцевая выточка под два сухаря, с помощью которых клапан удерживается в тарелке пружин. В нее снизу упираются одна (в карбюраторных автомобильных двигателях) или две (в дизелях) клапанные пружины, прижимающие тарелку клапана к седлу.

Фаски головки и седла изнашиваются дольше, если клапан поворачивается во втулке. Для этого сухари зажимаются не в тарелке пружин, а в закаленной втулке, которая опирается на тарелку узким торцом (на всех двигателях кроме Д-240 и Д-144). При такой опоре трение между деталями мало, и под действием коромысла, а также вибрации пружин, клапан, опускаясь и поднимаясь, поворачивается вместе с втулкой относительно тарелки. В дизеле СМД-18Н втулка удлинена и слегка охватывается верхним витком внутренней пружины. При возвратно-поступательяом движении клапана эта пружина поворачивает втулку, а с ней и клапан относительно тарелки. Механизм принудительного поворота выпускного клапана двигателя ЗИЛ-130 состоит из неподвижного корпуса (рис. 28, в), пяти шариков с возвратными пружинами, тарельчатой пружины, упорной шайбы и замочного кольца. Корпус надет на втулку клапана и входит в углубление головки цилиндров. Шайба и пружина установлены на ступицу корпуса с зазором.

Рис. 1. Клапанные механизмы дизелей: 1 — сухари; 2 — тарелка пружины; 3 — клапан; 4 — втулка клапана; 5 — втулка тарелки; 6 — пружина; 7 — опорная шайба; 8 — манжета уплотнения

Когда клапан закрыт и давление его пружины невелико, тарельчатая пружина выгнута наружной кромкой вверх, а внутренней кромкой опирается в заплечик неподвижного корпуса. При этом шарики отжаты пружинами в крайнее положение. Когда клапан открывается, давление его пружины возрастает. Под повышенным давлением тарельчатая пружина выпрямляется (выпуклость ее уменьшается) и опирается на шарики, как двуплечий рычаг. Поэтому, когда ее наружная кромка опускается, внутренняя отходит от заплечика корпуса. С этого момента давление клапанной пружины воспринимается только шариками, они перекатываются по наклонным канавкам и поворачивают (силой трения) тарельчатую пружину, а с ней — шайбу, пружину и клапан.

Когда клапан закрывается, сила давления его пружины уменьшается, пружина принимает первоначальную форму (выпуклую вниз), опирается в заплечик корпуса и перестает давить на шарики. Освобожденные от давления шарики возвращаются пружинами по наклонным канавкам вверх, занимая исходное положение. За один ход клапан поворачивается на небольшой угол, но за 1 мин работы двигателя успевает совершить до 30 оборотов.

В стержнях выпускных клапанов двигателей 3M3-53 и ЗИЛ-130 сверлят глухие каналы, наполняют их на 50…60% легкоплавким металлом (натрием), а затем приваривают заглушку. Во время работы двигателя натрий плавится и, взбалтываясь, отводит часть теплоты от головки к стержню и его втулке.

Стержни клапанов с небольшим зазором перемещаются в направляющих втулках, запрессованных в головку цилиндров. Эти втулки бывают чугунные, биметаллические с бронзой на рабочей поверхности или металлокерамические. Пористая поверхность последних и графитовое покрытие стержней (СМД-62, ЯМЗ-240Б, КамАЗ-740) способствуют лучшей приработке сопрягаемых деталей. На верхней части втулок впускных клапанов (ЯМЗ-240Б, Д-245 и автомобильные двигатели) установлены резиновые втулки, предотвращающие подсос масла в камеру сгорания через зазор между трущейся парой.

Рис. 3. Клапанные механизмы карбюраторных двигателей: а — впускного клапана: б — выпускного клапана; в — детали поворотного механизма; г — положение механизма при закрытом клапане; д— положение механизма при открытом клапане; 1 — впускной клапан; 2 — колпачок-маслоотражатель; 3 — пружина клапана; 4 — втулка тарелки; 5 — втулка клапана; 6 — заглушка; 7 — впускной клапан; 8 — легкоплавкий металл; 9 — механизм поворота клапана; 10 — замочное кольцо; 11 — упорная шайба; 12 — тарельчатая пружина; 13 — корпус; 14 — шарик; 15 — возвратная пружина

Рис. 29. Распределительные валы и сопряженные детали: 1 — распределительный вал; 2 — штанга; 3 — валик привода центробежного датчика; 4 — шайба; 5 — гайка; 6 — замочная шайба; 7 — упорный фланец; 8 — распорное кольцо; 9 — пружина валика; 10 — корпус валика привода; 11 — шестерни привода распределителя зажигания и масляного насоса; 12 — валик привода; 13 — шестерня распределительного вала; 14 — кулачок привода бензонасоса; 15 — противовес; 16 — эксцентрик; 17 — болт крепления шестерни

Клапанные пружины прижимают головку клапана к седлу. Чтобы витки одной пружины не западали между витками другой, направление навивки у них различное. В некоторых двигателях применяют пружины с различным шагом витков и ставят их так, чтобы витки с большим шагом были обращены вверх. Такие пружины меньше вибрируют.

Распределительный вал необходим для управления клапанами. На нем имеются кулачки, опорные шейки и посадочные места для крепления шестерен. Шейки и кулачки цементованы, закалены на небольшую глубину и отшлифованы. В рядных двигателях вал расположен сбоку цилиндров, а V-образных — в развале между рядами.

Валы разных двигателей отличаются размерами, расположением, числом и профилем кулачков, числом опорных шеек. На каждый цилиндр приходится два кулачка: для управления впускным и выпускным клапанами. Форма и взаимное расположение их зависят от порядка работы цилиндров и фаз газораспределения, а высота кулачка определяет продолжительность открытия клапана. При разных (по времени) фазах носок выпускных кулачков делают шире носка впускных.

На распределительном валу имеются от двух до семи опорных шеек. Они опираются на расточки в блоке или на бронзовые, стальные с баббитовой заливкой или чугунные втулки, закрепленные в нем.

В двигателях 3M3-53 и ЗИЛ-130 на распределительный вал установлена косозубая шестерня привода масляного насоса и прерывателя-распределителя зажигания, а также выполнен заодно с валом или закреплен на нем эксцентрик привода топливного насоса.

Осевое перемещение вала ограничивается фланцем 7, привинченным к блоку (в СМД-18Н — упорным винтом). На переднем или заднем конце вала, как правило, крепят одну (иногда две) шестерню.

Распределительные шестерни бывают стальные, чугунные или текстолитовые (3M3-53). Для плавности передачи вращения и уменьшения шума применяют косозубые шестерни, а для уменьшения изнашивания сопрягаемые шестерни иногда изготавливают из разных материалов.

Шестерни коленчатого и распределительного валов рядных дизелей, а также КамАЗ-740 и ЯМЗ-240Б соединены через промежуточную шестерню, а СМД-62 и карбюраторных двигателях — непосредственно, т. е. без промежуточной шестерни.

К распределительным условно относят и шестерни привода насосов: масляного, водяного, гидросистемы. Точное взаимное расположение шестерен достигается соединением их по меткам, как показано на рисунке. Только при выполнении этого условия клапаны будут открываться и закрываться в соответствии с диаграммой фаз газораспределения.

Рис. 4. Схема расположения распределительных шестерен дизелей: 1 — шестерня коленчатого вала; 2 — привод насоса гидроусилителя рулевого управления; 3 — шестерня распределительного вала; 4 — промежуточная шестерня; 5 — привод топливного насоса; 6 — привод масляного насоса дизеля; 7 — привод насоса гидросистемы; 8 — ведомая шестерня привода насоса дизеля; 9 промежуточная шестерня привода топливного насоса; 10 — промежуточная шестерня привода масляного насоса; 11 — привод водяного насоса; 12 — промежуточная шестерня привода водяного насоса; 13 — ведомая шестерня привода топливного насоса

Передаточные детали (толкатели, штанги и коромысла) нужны для преобразования вращения кулачков распределительного вала в возвратно-поступательное движение клапанов.

Цилиндрические и грибовидные толкатели перемещаются в чугунных втулках. Трущиеся поверхности толкателей шлифуют.

Чтобы изнашивание торца и цилиндрической поверхности было равномерным, толкатель, перемещаясь вверх и вниз, одновременно поворачивается вокруг своей оси. Это достигается смещением середины кулачка относительно центра плоского толкателя или изготовлением торцевой поверхности толкателя с небольшой выпуклостью, а кулачка — с небольшим скосом.

Роликовый толкатель (А-41, ЯМЗ-240Б) — качающийся рычажный. На нем имеются ролик, вращающийся в игольчатых подшипниках, и закаленная пята, в которую упирается штанга.

Рычаг шарнирно надет на трубчатую ось.

Штанги изготавливают из трубок, в которых запрессованы стальные наконечники сферической формы, или из стального прутка, но тоже со сферическими концами. Наконечники и концы штанг закаливают и шлифуют.

Коромысло представляет собой неравноплечий рычаг, с помощью которого можно увеличить ход клапана по сравнению с подъемом штанги. Коромысло отштамповано из стали и в нем обычно имеется бронзовая втулка. На коротком плече расположен регулировочный винт 9, в который упирается штанга, а длинное плечо заканчивается закаленным полированным бойком, прилегающим к торцу клапана. Винтом с контргайкой регулируют зазор между бойком и торцом клапана.

Коромысла поворачиваются на осях, закрепленных в чугунных стойках. Оси — стальные и, как правило, трубчатые. Если канал оси используется для подачи масла к коромыслам, то в торцах имеются пробки, а в оси — радиальные отверстия, расположенные против втулок коромысел.

Стойки коромысел прикреплены к головке цилиндров. Распорные пружины, надетые на ось между коромыслами, удерживают их от продольного перемещения. Коромысла и клапанные механизмы закрыты крышками или колпаками головки цилиндров и уплотнены на ней прокладками.

Рис. 5. Передаточные детали распределительного механизма (а) и схема поворота толкателей (б): 1 — втулка; 2 — роликовый толкатель; 3 — пята; 4 — ролик; 5 — ось ролика; 6 — толкатель с выпуклым днищем; 7 — штанга; 8 — толкатель с плоским днищем; 9 — регулировочный винт; 10 — контргайка; 11 — коромысло; 12 — втулка коромысла; 13 — ось коромысел; 4 — стойка оси; 15 — распорная пружина; 16 — втулка толкателя; 17 — грибовидный толкатель с плоским днищем; 18 — кулачковый вал; 19 — толкатель с кольцевой выточкой

Клапаны двигателя

Любой современный автомобиль — конструкция, состоящая из большого количества деталей, проводов и электроприборов, которые контролируют и обеспечивают работоспособность всех узлов, агрегатов, систем. Сердцем каждой машины является двигатель внутреннего сгорания. Он представляет собой сложный механизм, который предназначен для переработки тепловой энергии в механическую, чтобы обеспечивать движение транспортного средства.

ДВС имеет множество элементов, от полноценной работы которых зависит очень многое, поэтому даже такие, вроде бы мелкие, детали, как клапаны двигателя играют большую роль в его функционировании. Без них двигатель очень быстро потеряет всю свою ресурсоспособность.

На всеукраинской торговой площадке zakupka.com вы найдете огромное множество предложений и широкий ассортимент самых разных товаров и услуг для автомобилистов. Нужна вам крышка двигателя, инжектор или новое масло — в нашем каталоге найдется все. Вас ждут выгодные покупки, умеренная цена, функциональный поиск и отличный сервис.

Конструкция клапанов в авто

Клапаны не попадают в категорию расходников, однако, обязательно потребуют замены, если была проведена неправильная регулировка или при полном ее отсутствии. Перед тем как купить недостающую запчасть, особенно для двигателя, необходимо детальнее ознакомиться с инструкцией к своему автомобилю. Такая рекомендация обуславливается тем, что, например, на Рено и ВАЗ однозначно стоят разные двигатели, которые в целом имеют аналогичную сборку, но наделены некоторыми различными характеристиками.

Впускные и выпускные клапаны двигателей внутреннего сгорания автомобилей, как правило, имеют тарельчатую форму. Эксцентриковый кулачок управляет специальным клапанным механизмом, посредством которого открывается сам клапан. Устройство и его работа непосредственно связаны с положением поршня и периодом вращения коленвала.

В свою очередь, направляющая втулка, которая располагается рядом с седлом клапана, обеспечивает герметичный газонепроницаемый контакт между седлом и рабочей фаской. Эти два элемента скошены под углом в тридцать или сорок пять градусов. Данные значения являются номинальными, поэтому фактические зачастую отличаются на один-два градуса. К седлу клапан прижимается под действием пружины, которая удерживается на штоке своей опорной тарелкой, законтренной замком на стержне.

Между различными геометрическими параметрами клапанов двигателей существует оптимальное соотношение. Для двигателей, в которых цилиндры имеют внутренний диаметр от трех до восьми дюймов (80-200 мм) оптимальным диаметром головки впускного клапана будет тот, который составляет примерно 45%, а оптимальным диаметром выпускного клапана — приблизительно 38% внутреннего диаметра самого цилиндра.

Впускной клапан обязательно должен иметь больший размер, чем выпускной, поскольку он не только пропускает ту же массу газа, а также управляет низкоскоростным потоком разреженного газа. Одновременно с этим, выпускной клапан управляет потоком сжатого газа, с которым справится клапан меньшего размера. Таким образом, диаметр головки выпускного составляет около 85% диаметра впускного. Кроме того, для полноценного функционирования диаметр головки клапана должен составлять от 100% до 115% диаметра клапанного окна, ведь сам клапан должен быть достаточно большим, чтобы перекрыть окно. А высота подъема клапана над седлом будет составлять практически 25% диаметра головки.

Если после остановки двигателя сразу происходит попадание холодного воздуха на горячие выпускные клапаны, это может привести к их серьезному повреждению. В тех ДВС, которые оснащены выпускными коллекторными головками, а также прямоточными глушителями, холодному воздуху всегда открыт прямой доступ до выпускных клапанов. Резкое охлаждение, как правило, вызывает коробление либо в клапане начинают образовываться трещины. Для устранения рисков возникновения подобных проблем существуют противоточные глушители с длинными выхлопными трубками и нейтрализаторами отработавших газов.

Клапан ДВС

Большое разнообразие материалов из которых изготавливают клапаны двс может поставить перед сложным выбором. В этой статье пойдет речь о технологиях производства клапана в каких случаях использовать те или иные клапаны, их достоинства и недостатки, облегчение и проточка «тюльпана», а также поговорим о защищающих покрытиях и методах их нанесения. Эта информация предоставлена, чтобы помочь Вам сделать обоснованное решение при модернизации клапанного механизма.

 

1.Технологии производства клапанов.

 

При изготовлении выпускных клапанов особое внимание уделяется методам изготовления и материалам способным длительно выдерживать высокую температуру и при этом сохранять прочность. К впускным требования не столь жесткие так как они имеют дополнительное охлаждение свежей топливовоздушной смесью. Необходимым свойствам соответствуют многие сплавы при соблюдении определенных технологиях, но всегда приходится чем-то жертвовать к тому же вес детали получается большим. Проводится много исследований и выявление новых материалов не стоит на месте. Множество запатентованных технологий еще не нашли своего применения на практике.

Все то множество технологий и их недостатки я описывать подробно не буду, поверхностно пройдемся по основным. Как делается тарелка клапана:

 

Торцевая раскатка- раскалённый стержень клапана выступает из матрицы и вращающийся под углом к оси матрицы пауссон раскатывает по кругу стержень, который постепенно подается в матрицу до придания необходимой формы. Создается направленная микроструктура метала, параллельная профилю тарелки клапана, что увеличивает прочность.

1-торец заготовки. 2-матрица. 3-паусон. 4-готовая тарелка клапана. 5-стержень.

В следующем методе заготовку подают в матрицу и похожим образом раскатывают тарелку клапана, при этом еще выдавливается ножка в отверстие что тоже дает направленную микроструктуру, подобную волокнам древесины. Существует еще несколько методов имеющих сходство с описанным.

Клапан изготавливают из стали марок: 40Х9С2, 40XH, 40Х10С2М, 20ХН4ФА, 55Х20Г9АН4, 45Х14Н-14В2М, титановых сплавов ПТ-3В, ВТ3, ВТ-14, ВТ6, с намного низкой температурной стойкостью (только впускные клапаны) ВТ18У и ВТ25У и других сплавов. Клапаны из сплавов на основе интерметаллида TiAl имеют сравнимо низкую плотность металла, соответственно и меньший вес с большей твердостью и жаропрочностью даже в сравнении с привычными сплавами на основе титана. Но возникают трудности при изготовлении по привычным технологиям, позволяющим добавить прочность, из-за низкой пластичности. В таком случае изготавливают методом литья, но в этом случае, в структуре металла образуется пористость, которая удаляется только высокотемпературным газоизостатированием, очень дорогая процедура, составляющая себестоимость клапана.

Широко применяется комбинированная система, когда стержень выполняется из низколегированных сплавов с большей твердостью, а тарелка из жаропрочных. Готовые детали в последствии свариваются различными методами или напрессовываются, конструкция считается не очень надежной.

Другой вариант изготовления, стержень и торец клапана изготавливаются из одного сплава, в последствии деформационной и термо обработки создаются разные микроструктуры метала, в головке обеспечиваются высокая твердость и сопротивление ползучести в тарелке высокая термостойкость. Опять же технологии изготовления очень дорогостоящие. Не стану описывать остальные методы, имеющие по 3-4 переходных зоны по микроструктуре и технологию отжига, все они принципиально схожи с выше описанным.

 

Горячая штамповка в торец- раскалённый стержень просто вдавливается в матрицу в которой метал распределяется как попало с нарушением микроструктуры, самый простой и бюджетный способ, не имеющий необходимой прочности.

2. Виды клапанов

 

Широко распространены всего два вида тарельчатых клапанов «Тюльпан» и «Т-образный».

Стоит разобраться в недостатках и преимуществах чтобы сделать свой выбор. И так самый распространенный это тюльпан, имеет большой запас прочности обтекаемую форму, часто большой вес.

Т- образный предназначен в большей степени для тюнингованного мотора работящего преимущественно на высоких оборотах. Имеет минимальный радиус перехода от ножки к тарелке, небольшой вес в следствии чего уменьшается нагрузка на газораспределительный механизм продлевая срок службы, сдвигает порог зависания клапана что позволяет использовать стандартные клапанные пружины, не прибегая к усиленным, отбирающих свою долю мощности, меньший износ направляющих втулок, лучшая продувка. О надежности поговорим чуть ниже.

3. Облегчение клапана типа «Тюльпан»

Из экономических соображений многие стремятся самостоятельно облегчить клапаны, покупка новых Т- образных выливается в кругленькую сумму, обычно это клапаны на основе титана, имеющие небольшой вес минимальную металлоёмкость и лучшие характеристики прочности и жаростойкости, однако в виду трудоемкого производства таких деталей себестоимость очень высока.


Выше я уже говорил, что Тюльпан изначально имеет большой запас прочности и есть возможность его облегчить ценой надежности, неоправданного риска попасть на очередную капиталку. Мало кого этот факт останавливает и начинаются поиски тех кто уже опробовал и сделать именно также, соблюдая размеры оппонента. В сети по этой теме можно найти много положительного опыта, реже попадаются печальный исход доработки.


А теперь давайте разберемся почему это происходит. В начале я описывал технологии производства клапанов и материалов. Если вы читали внимательно, то уже поняли, что большое значение имеет технология производства и созданная микроструктура в металле пусть хоть в результате термообработки или метода штамповки. Во время облегчения клапана механически удалятся часть металла в поверхностных слоях которого была заключена основная прочность всей детали. Термонагруженность тарелки возрастает вследствие чего материал клапана не способен выдерживать нагрузку и поддается деформации. Некоторые производители наносят специальные покрытия расширяющие свойства, в конце темы опишу подробнее. Из этого можно сделать вывод, вероятность обрыва тарелки 50/50, ведь вам не известна технология и материалы и действовать вы будете по опыту других или на глазок. Добавим вероятность заводского брака и возможную детонацию, и получите такой результат.


Однако не всегда так случается и судя по опыту немногих, облегченные клапаны ходят по 100тыс и продолжают исправно работать. Если вы все же решились на облегчение, задумайтесь об охлаждении тарелки, в этом поможет замена седел клапанов на бронзовые. Именно через седла отводится большая часть температуры. Об этом я уже писал в теме Седло клапана. Не допускайте острых краев и тонких кромок на тарелке, эти места будут чрезвычайно перегреты повысится вероятность детонации и приведет к прогару и разрушению клапана. Совершенно нет необходимости в фасках, сделайте плавный переход и скруглите кромку тарелки. Не забудьте притереть клапан к седлу, желательно не алмазными пастами. Рассмотрите варианты облегчения остальных подвижных частей- пружинные тарелки, коромысла или толкатели.

Предпочтение стоит отдавать конечно заводским Т- образным клапанам, не оставляя без внимания бренд, их надежность не заставит вас сомневаться. Не думайте опробовать производство из Китая даже если это титан.

4. Защищающие покрытия, методы нанесения.

 

Распространение получили три метода нанесения покрытия на металлы плазменно-порошковая наплавка, лазерное легирование, наплавка токами высокой частоты. Нанесенное покрытие совершенно другого металла на выпускной клапан расширяет защитные свойства детали, возможность противостоять агрессивной среде. Это позволяет выполнять клапан из более подходящих материалов по термостойкости и прочности, не прибегая к поиску золотой середины. Таким получаем прочный и легкий клапан, не способный противостоять окислению и износу, но применение тонкого слоя специального покрытия решит эту проблему.

Выхлопные газы высокой температуры наносят большой вред клапану, возникает газовая коррозия парами воды, окисление кислородом, оксидом углерода, оксидом серы, которые образуются в результате горения. Механическое воздействие расклепывает рабочую фаску увеличивается ее размер, нарушается герметичность, что приводит к прорыву раскалённых газов в щель и большему прогару.

Далее расскажу о методах нанесения покрытия, ознакомимся с каждым из них подробнее.

Плазменно-порошковая наплавка-

наиболее универсальный метод, подается гранулированный металлический порошок вместе с газом в плазмотрон. Такой метод позволяет наносить качественное покрытие толщеной 0.5-5.0мм, растворимость металла детали в наплавленном слое всего 5%, возможное отклонение от номинала толщены- 0.5мм, минимальная окисляемость наплавляемого слоя за счет подаваемого в плазмотрон газа, минимальная зона термического влияния.

Лазерное легирование-

на деталь воздействует луч лазера разогревая поверхность чуть больше температуры плавления основы. Температура регулируется мощностью лазера и диаметром луча. В результате происходит активное перемешивание легирующего металла размещенного на поверхности основы с металлом детали на глубину примерно 1-2 мм. Такой метод позволяет наносить покрытия стеллита, вольфрамохромокобальтового сплава. Растворимость основного металла в покрытии 5-10%.

Наплавка токами высокой частоты-

На тарелку клапана устанавливается кольцо из наплавляемого металла, между клапаном и кольцом находится порошковый флюс или газовая среда (аргон, азот) под действие тока высокой частоты разогревается кольцо и подогревается тарелка клапана до температуры диффузии металлов, место нанесения покрытия охлаждается водой с другой стороны клапана, таким образом происходит намораживание наплавляемого слоя, при этом клапан вращается для обеспечения равномерности нагрева. Таким образом наносят самофлюсующиеся сплавы ЭП616, ЭП616А, ЭП616Б, ЭП616В значительно дешевле кобальтовых стеллитов и имеют достаточную твердость и стойкость к коррозии. Растворимость основного металла в слое покрытия 20-30%.

Тарелка титанового клапана с покрытием нитрид хрома (CrN)

           
     
 
 


Пример с покрытием из нитрида титана, обеспечивает высокую твердость.

Противостоит отложению нагара и окислению.

 

 

 

Как проверить застрявший клапан двигателя

Каждый двигатель имеет впускной и выпускной клапаны. Клапаны открыты для впуска топлива или выпуска выхлопных газов. Они закрываются, когда их цикл завершается. Штоки клапанов расположены в длинных трубчатых направляющих, которые обеспечивают путь для перемещения вверх и вниз. Распределительный вал поднимает и опускает клапаны по отдельности, или у них есть качающиеся рычаги, пружины, подъемники и толкающие стержни, чтобы помочь им. Иногда задвижка клапана открывается или закрывается, что приводит к пропаданию двигателя. Застрявшие клапаны могут иметь серьезные последствия для производительности двигателя и срока его службы. Их нужно обслуживать быстро, чтобы избежать катастрофического отказа двигателя. Диагностика должна быть выполнена немедленно.

Шаг 1


Ищите любой индикатор «Проверьте двигатель», который загорается на приборной панели во время нормальной работы двигателя и вождения. Если вы видите сигнальную лампочку с индикатором «Выбросы», это может означать, что проблема напрямую связана с замерзшим клапаном. Датчики кислорода (кислорода) могут улавливать неисправную топливовоздушную смесь в выхлопной системе.

Шаг 2


Слушайте заметную ошибку двигателя сразу после запуска. Холодный двигатель усугубит проблему слипания клапана, потому что шток клапана и направляющая имеют минимальный зазор в холодном состоянии. Вы можете обнаружить периодический промах или колебания, которые проходят после прогрева двигателя.

Шаг 3


Будьте внимательны при любом перегреве двигателя, который появляется на индикаторах вашей приборной панели. Застрявший выпускной клапан в закрытом положении создает экстремальные температуры цилиндра. Прислушайтесь к шуму или шуму двигателя, связанному с предварительным зажиганием (последующим сжиганием топлива). Горячие точки на поверхности клапана и верхней части поршня вызывают этот тип шума.

Шаг 4


Обратите внимание на любой необычный запах, исходящий из ходовой части автомобиля в непосредственной близости от каталитического нейтрализатора. Тухлое яйцо или сильный запах серы указывают на насыщенный каталитический нейтрализатор, который не может сжечь богатую топливную смесь. Впускной клапан, застрявший в открытом положении, позволяет слишком большому количеству топлива проходить через систему выпуска без надлежащего сгорания.

Шаг 5


Снимите крышки клапанов двигателя, используя подходящее гнездо и гаечный ключ. Снимите крышку с одним клапаном в случае четырехцилиндрового или шестицилиндрового двигателя. Отсоедините провод основной катушки или провода штекера в месте расположения блока катушки. Попросите помощника провернуть двигатель. Следите за движением всех пружин клапанов на головке. Каждая пружина клапана должна двигаться вверх и вниз с регулярным ритмом. Пружина клапана, которая не двигается, не болтает и не двигается периодически, указывает на заклинивание клапана.

Шаг 6


Удалите провода свечей зажигания из каждого цилиндра с помощью инструмента для удаления проводов свечей зажигания. Держите штекерные провода в правильном порядке и месте. Извлеките все свечи зажигания из разъемов с помощью гаечного ключа и разъема. Проверьте электроды свечи зажигания. Все они должны иметь легкий загар. Любая заглушка, которая выглядит мокрой, черной, покрытой коркой и темно-коричневой, указывает на неправильную топливную смесь или проблему перегрева, связанную с застрявшим клапаном (при условии, что заглушка получает надлежащую искру).

Шаг 7


Вкрутите манометр в одном из мест цилиндра. Убедитесь, что катушка или провод блока катушек остаются отсоединенными. Пусть ваш помощник проворачивает двигатель шесть или семь раз и останавливается. Прочитайте psi (фунты на квадратный дюйм) на датчике и запишите его.

Проверьте все цилиндры с помощью манометра таким же образом и запишите числа. Все цилиндры должны показывать высоко, ни одно из них не должно быть ниже 30 фунтов или меньше, чем остальные. Засоренный или частично открытый выпускной или впускной клапан вызовет заметное падение компрессии цилиндра. Нулевое значение в цилиндре указывает на клапан, застрявший в широко открытом положении.

Предупреждение


  • Для проверки запуска двигателя необходимо, чтобы автомобиль находился в парке или в нейтральном положении при включенном аварийном тормозе. Снимите провод основной катушки, чтобы двигатель не запустился.

Предметы, которые вам понадобятся


  • Набор розеток
  • Ключ с трещоткой
  • Ассистент
  • Ручка и бумага
  • Датчик компрессии
  • Штекер провода инструмент

Технология регулируемых клапанов и ее функции в автомобиле

Большие клапаны на настоящей полукруглой головке, как видно на стенде Keith Black Racing Engines.

CNET

Когда вы изучаете особенности нового автомобиля, вы, вероятно, будете засыпаны яркими словами о «продвинутой технологии клапанного механизма» в его двигателе.«Как это произошло? Они не забрасывают 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 они хороши.

Сейчас играет: Смотри: Наконец-то поймите, что технология регулируемого клапана используется в вашей машине…

6:39

Что делают клапаны

Клапаны устанавливаются в части двигателя, называемой головкой, и отвечают за пропускание воздуха и / или топлива в цилиндры для сжигания (так называемые впускные клапаны) и за выпуск выхлопных газов из что сгорание из цилиндров — так называемые выпускные клапаны.

Выделены клапаны двигателя, расположенные в головке (здесь не видно), непосредственно над цилиндрами.

VW

Это может звучать как пара рожков в оркестре, но на самом деле клапаны имеют решающее значение для мощности двигателя, его экономичности и выбросов.

Как работают клапаны

Клапаны двигателя приводятся в действие за счет вращения распределительного вала с эксцентриковыми яйцевидными выступами на нем.Когда эти кулачки вращаются, высокая часть их яйцевидной формы давит на клапан, переводя его в открытое положение.

Распредвалы бывают разных размеров и применений, но все они имеют ряд эксцентричных или яйцевидных кулачков, врезанных в них.

MAT Foundry Group

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

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

Время

Как и все, что вращается, распределительный вал поворачивается на 360 градусов во время работы. Там, где в этих 360 градусах направлен пик овального лепестка, это фаза газораспределения — момент, когда выступ кулачка давит на клапан во время вращения вала.

Где на 360 градусах распределительного вала точки этого выступа определяют его синхронизацию.

CNET

Это называется синхронизацией, потому что он определяет, когда открывается клапан в зависимости от того, что происходит в остальной части двигателя в данный момент времени, поскольку все в двигателе механически заблокировано.

Подъемник

Высота выступа кулачка или его яйцевидное острие определяет подъемную силу. Чем выше этот конец, тем дальше он переместит или «поднимет» клапан.Эта величина подъема в значительной степени определяет, насколько большое отверстие создается в цилиндре для входа воздуха или топлива или выхода выхлопных газов.

Продолжительность

Ширина или ширина выступа кулачка определяет продолжительность или то, как долго он выполняет подъем на клапан. Это определяет, сколько времени цилиндр должен вдохнуть или выдохнуть.

Ширина или ширина «плеч» по обе стороны от пика этого выступа кулачка определяет его продолжительность.

CNET

Узкий заостренный выступ кулачка на короткое время открывает клапан, тогда как более широкий и широкий выступ кулачка дольше удерживает клапан открытым при вращении распредвала.

Создание всех этих переменных

Как вы можете заметить, кулачковые выступы в форме яйца обманчиво сложны и содержат множество «команд» в своей органической форме. Но даже этих тонких факторов недостаточно для современных двигателей; В последние несколько десятилетий автопроизводители сделали регулировку времени, подъемной силы и продолжительности работы двигателя.

Регулируемые фазы газораспределения

В идеале кулачки давят на клапаны, время от времени меняющееся в зависимости от оборотов двигателя и нагрузки, что трудно представить с фиксированной обработанной формой распредвала.Но технология Porsche VarioCam была одним из первых примеров, которые сделали именно это, изменив соотношение между распределительным валом и шестерней, которая его вращает.

В частности, это позволило Porsche изменять синхронизацию впускных клапанов относительно положения поршней в цилиндре, а также синхронизацию выпускных клапанов. Это нечеткое, но выше заводское изображение того, как VarioCam изменяет время впускных клапанов. В большинстве современных автомобилей с бензиновым двигателем сейчас используются некоторые техники для изменения фаз газораспределения.

Регулируемый подъемник

Знаменитые двигатели Honda VTEC сделали регулируемый подъем клапанов популярным. Используя механическую связь, двигатели VTEC могут выбирать между двумя кулачками распределительного вала разной формы для управления каждым заданным клапаном: один открывает клапан чаще, другой — меньше. Выбор того, какие лепестки использовать в данный момент, делает компьютер двигателя, так как он контролирует обороты двигателя и нагрузку.

Этот переход VTEC от менее открытой части кулачка к более открытой породил один из самых распространенных мемов во всем автодоме.

Переменная продолжительность

Продолжительность воздействия кулачка на клапан, возможно, была самым сложным фактором для изменения, но новая технология Hyundai CVVD недавно сделала это. Он изменяет продолжительность, слегка сдвигая распределительный вал в сторону от его оси вращения при его повороте. Это невыносимо сложный механизм, но отчасти поэтому он появился спустя десятилетия после двух предыдущих вариативных технологий. Он должен прибыть в некоторых новых Hyundais в конце 2020 года.

Будущее

Все это довольно впечатляющая технология, но, честно говоря, это просто сложный набор пластырей для вековой автомобильной технологии: клапаны с приводом от распределительного вала.В будущем мы могли бы отказаться от всего устройства Руба Голдберга и управлять автомобилями с прямым бескулачковым приводом клапана — новой технологией, в которой для управления каждым клапаном используется простой соленоид или электродвигатель.

Или вы просто сядете на электромобиль и забудете про всю эту ерунду.

Клапаны двигателя

Топливо-воздушная смесь поступает в цилиндры через отверстия впускных клапанов, а сгоревшие газы удаляются через отверстия выпускных клапанов.Головка каждого клапана открывает и закрывает эти отверстия цилиндра. В авиационных двигателях используются клапаны классического тарельчатого типа. Клапаны также типичны по форме и называются грибами или тюльпанами из-за их сходства с формой этих растений. На рис. 1-20 показаны различные формы и типы этих клапанов.

Рисунок 1-20. Различные типы клапанов.

Конструкция клапана

Клапаны в цилиндрах авиационного двигателя подвергаются воздействию высоких температур, коррозии и рабочих нагрузок; таким образом, металлический сплав в клапанах должен выдерживать все эти факторы.Поскольку впускные клапаны работают при более низких температурах, чем выпускные, они могут быть изготовлены из хромоникелевой стали. Выхлопные клапаны обычно изготавливаются из нихрома, сильхрома или кобальтхромовой стали, потому что эти материалы гораздо более жаропрочные.

Головка клапана имеет шлифованную поверхность, которая образует уплотнение против заземленного седла клапана в головке цилиндров, когда клапан закрыт. Поверхность клапана обычно шлифуется под углом 30 ° или 45 °. В некоторых двигателях поверхность впускного клапана шлифуется под углом 30 °, а поверхность выпускного клапана — под углом 45 °.Поверхности клапана часто делают более прочными за счет применения материала, называемого стеллитом. Около 1⁄16 дюйма из этого сплава приварено к торцу клапана и отшлифовано под правильным углом. Стеллит устойчив к высокотемпературной коррозии, а также выдерживает удары и износ, связанные с работой клапана. Некоторые производители двигателей используют нихромовую облицовку клапанов. Это служит той же цели, что и материал стеллита.

Рисунок 1-21. Вид на направляющую клапана, установленную на головке блока цилиндров.

Шток клапана действует как пилот для головки клапана и перемещается в направляющей клапана, установленной для этой цели в головке блока цилиндров.[Рис. 1-21] Поверхность штока клапана закалена для предотвращения износа. Шея — это часть, которая образует соединение между головкой и стеблем. Наконечник клапана закален, чтобы выдерживать удары коромысла клапана, когда он открывает клапан. Обработанная канавка на штоке рядом с наконечником принимает шпонки штока с разрезным кольцом. Эти шпонки штока образуют стопорное кольцо, удерживающее стопорную шайбу пружины клапана на месте. [Рисунок 1-22] Рисунок 1-22. Шпонки штока образуют стопорное кольцо для удержания стопорных шайб пружины клапана на месте.

Некоторые штоки впускных и выпускных клапанов полые и частично заполнены металлическим натрием. Этот материал используется потому, что он отлично проводит тепло. Натрий плавится при температуре примерно 208 ° F, и при возвратно-поступательном движении клапана жидкий натрий циркулирует, позволяя ему отводить тепло от головки клапана к штоку клапана, где оно рассеивается через направляющую клапана к головке цилиндров и охлаждающим ребрам. . Таким образом, рабочая температура клапана может быть снижена на 300–400 ° F.Запрещается открывать клапан, наполненный натрием, или подвергать его обработке, которая может привести к его разрыву. Воздействие натрия в этих клапанах на внешний воздух может привести к пожару или взрыву с возможными травмами.

Чаще всего используются впускные клапаны со сплошными штоками, а головка имеет либо плоскую форму, либо форму тюльпана. Впускные клапаны для двигателей малой мощности обычно имеют плоскую головку. В некоторых двигателях впускной клапан может быть типа «тюльпан» и иметь меньший шток, чем выпускной клапан, или он может быть похож на выпускной клапан, но иметь твердый стержень и головку.Хотя эти клапаны похожи, они не являются взаимозаменяемыми, поскольку поверхности клапанов изготовлены из разного материала. Впускной клапан обычно имеет плоскую фрезеровку на конце, чтобы идентифицировать это.

Бортовой механик рекомендует строительство клапанов двигателя

| Строительство автомобилей

Основное назначение клапанов двигателя — открытие и закрытие впускных и выпускных отверстий. При открытии впускного клапана воздушно-топливная смесь поступает в цилиндры .А когда открывается выпускной клапан, сгоревшие газы удаляются. Клапан является элементом Клапан механизма .

Клапаны бывают некоторых типов по их форма: гриб или тюльпан. Вы можете увидеть различные формы и типы этих клапанов, показанные на рисунке. иллюстрирует.

Типы клапанов

Основными частями клапанов являются головка и шток. Клапан должен удерживать цилиндр изолированным во время такта сжатия и рабочего хода .

Плавный переход от головки клапана к штоку снижает сопротивление движению газа при открытии клапана. Клапаны в цилиндрах и двигателя транспортного средства подвергаются воздействию высоких температур, поэтому металлический сплав в клапанах должен выдерживать все факторы, такие как коррозия и рабочие нагрузки.

Клапан двигателя имеет запас на головке, чтобы он плотно прилегал к седлу клапана. Поверхность клапана притирается шлифовальной машиной к седлу клапана. Специальная шлифовальная машина для клапанов используется для шлифовки клапанов из-за очень мелких частиц.

Клапан двигателя удерживается в высокоточном патроне. Угол выставления — обычно 45 градусов. Скорость вращения клапана зависит от диаметра клапана для получения максимально гладкой поверхности. Количество металла, удаляемого при каждом проходе, устанавливается на суппорте, а затем шлифовальный круг проходит вдоль поверхности клапана с помощью рычага.

После шлифовки этот клапан теперь хорошо прилегает к седлу, так что теперь он отшлифован и готов. Наконец, согласование седла и клапана достигается притиркой.

Материал клапана двигателя

Впускной клапан работает при более низких температурах, чем выпускной, поэтому он изготовлен из хромоникелевой стали. Для изготовления выпускных клапанов используются гораздо более жаропрочные материалы, такие как нихром, сильхром или кобальтхромистая сталь.

Размеры клапанов

Головки впускных и выпускных клапанов могут быть одинакового или разного диаметра. Обычно головка впускного клапана имеет больший диаметр, чем головка выпускного клапана, чтобы обеспечить лучшее наполнение цилиндра.Для расчета размеров впускного и выпускного клапана вы должны знать диаметр цилиндра, ход и предел оборотов двигателя. Так вы сможете рассчитать идеальные размеры впускных и выпускных клапанов. Например, двигатель объемом 1588 куб.см (диаметр цилиндра 79,5 мм и ход поршня 80 мм) и предел числа оборотов 6000 об / мин должен иметь впускной клапан 36,4 мм и выпускной клапан 31 мм. В этом расчете используется следующая формула:


Диаметр клапана = √ ((об / мин × ход × отверстие²) ÷ 2,286,000)

Формула диаметра клапана

Например, впускной клапан Melling в Ford -150 имеет диаметр головки (дюймы): 1.752 и диаметр головки выпускного клапана (дюймы): 1,452.

Композитные клапаны двигателя? | CompositesWorld

В автогонках меньшая масса означает большую скорость. Инженеры постоянно искали способы уменьшить массу компонентов гоночных автомобилей для повышения производительности, и композиты были вспомогательным материалом в этих усилиях, особенно в компонентах корпуса и рамы гоночного автомобиля. В Исследовательском центре автомобильной инженерии Университета штата Колорадо (CSU, Форт-Коллинз, Колорадо.), однако исследования по снижению массы были сосредоточены на композитном решении в очень маловероятной области: исследователи Дональд Рэдфорд, Ричард Бакли и группа студентов инженерного факультета CSU отливают композитные цельные клапаны двигателя, которые составляют часть веса металлические версии.

Регулировка клапанов двигателя не только снижает вес, но, что более важно для гоночных целей, также открывает возможность увеличения практических оборотов двигателя. «Ограничение числа оборотов [оборотов в минуту] большинства современных двигателей определяется скоростью, при которой клапанный механизм становится нестабильным», — объясняет Рэдфорд.«Поскольку« скачок »и« отскок »клапана регулируются массой и жесткостью компонентов клапанного механизма, уменьшение массы клапана должно увеличивать рабочую скорость двигателя». Команда потратила несколько лет, демонстрируя потенциальные характеристики армированных волокном высокотемпературных матричных клапанов с перекачиваемой смолой (RTM’d) для замены материалов, используемых в настоящее время.

Материалы и суровые условия

Сталь по-прежнему является преобладающим материалом для клапанов двигателей массового производства, и нержавеющая сталь не редкость, поскольку она обеспечивает лучшую износостойкость и теплопередачу, чем сталь, при почти такой же массе.В гонках часто используются титановые клапаны, поскольку их масса составляет 60 процентов от массы стальных клапанов, но в первую очередь для впускных клапанов. «Обычно клапаны видят температуру 400 ° C / 752 ° F на поверхности впускного клапана и 900 ° C / 1652 ° F на поверхности выпускного клапана», — говорит Рэдфорд. Титан не может воспринимать тепло как выпускной клапан. Кроме того, титан не обладает такими характеристиками многоцикловой усталости, как сталь, и, следовательно, требует упрочняющих обработок, которые увеличивают сложность и стоимость процесса. Керамические клапаны и клапаны с керамической головкой были продемонстрированы для использования в качестве выпускных клапанов, их масса составляет всего 40 процентов от массы стальных клапанов, но режим хрупкого разрушения керамических версий может иметь разрушительные последствия для двигателя.Гоночные команды Формулы 1 использовали интерметаллические клапаны из алюминида титана, которые весят вдвое меньше, чем их стальные аналоги. Они производятся в очень сложном производственном процессе, который требует использования нескольких материалов, но сегодня команды F1 обычно используют клапаны из титанового сплава. Цель команды CSU — смягчить все негативные последствия: по словам Рэдфорда, «мы хотим уменьшить массу, повысить жесткость, преодолеть хрупкое разрушение и упростить производство с помощью армированного волокном композитного материала».

Концепция композитных клапанов существует уже давно.В начале 1980-х годов Polimotor Research Inc. (Фейрлон, Нью-Джерси) попыталась полностью разработать концепцию двигателя с усиленным углеродом полимер на основе двигателя Ford, в котором для штоков клапанов использовался высокотемпературный полиамид-имид, армированный углеродом (PAI), и керамика для головки клапанов. Рядный 4-цилиндровый двигатель весил всего 168 фунтов / 76 кг, отмечает Рэдфорд. В 1980-х годах Исследовательский центр НАСА в Лэнгли (Вирджиния) предпринял проект углеродно-углеродного двигателя, в котором были произведены и испытаны клапаны из углеродного композитного материала. В этих предыдущих усилиях использовались многоэлементные концепции для решения проблемы изменяющихся температур, наблюдаемых по всему клапану, и склеенное соединение между головкой клапана и штоком клапана часто являлось точкой разрушения конструкции.Команда Рэдфорда считает, что есть потенциал для легких клапанов, изготовленных в виде единой детали, масштабируемых в соответствии с объемами производства, хотя остаются серьезные проблемы с проектированием и производством.

Цельная преформа из высокотемпературной смолы

Клапаны, разработанные Рэдфордом и его командой, имеют тот же размер и форму, что и клапаны обычных двигателей внутреннего сгорания. Общая длина составляет около 100 мм / 4 дюйма, а вес из стали — около 38 г. Моделирование методом конечных элементов (МКЭ) показало, что требуется очень мало углеродного волокна по длине композитного стержня клапана — двух жгутов 12K было достаточно, если учитывать только прочность.Но значительно большее усиление было показано в переходной области, на пересечении штока и головки, где возникло пиковое напряжение, и в самой головке клапана из-за изгибающих нагрузок, создаваемых зоной седла клапана.

Выбранная композитная конструкция включала двухслойную плетеную трубку из углеродного волокна диаметром 6,4 мм / 0,25 дюйма, содержащую 60% аксиального однонаправленного жгута для дополнительного сопротивления осевому изгибу. На поверхность клапана были добавлены два небольших диска из ткани с полотняным переплетением (подробнее об этом ниже), чтобы выдерживать приложенные изгибающие нагрузки.Матрица представляет собой высокотемпературную полиимидную смолу PETI-RFI от Langley Research Center.

Смола PETI-RFI ведет себя как термопласт при температуре ниже 280 ° C / 536 ° F, но сшивается и превращается в термореактивную смолу при температуре отверждения выше 300 ° C / 572 ° F. Из-за этой уникальной характеристики команда Рэдфорда разработала план введения смолы в форму при повышенной температуре, но ниже температуры отверждения. После завершения инъекции форма была удалена из машины для литья под давлением, закрытые крышки формы были закреплены в отверстии и вентиляционных отверстиях, и форма была помещена в печь для полного отверждения и сшивания.

Поскольку клапан должен был быть цельным, команда первоначально спроектировала и создала прототип алюминиевой формы с одной полостью. Но возникли проблемы: неравномерное наполнение, трудности с удержанием преформы и промывкой волокна, а также застревание детали в форме. Хуже того, алюминиевая форма со временем деформировалась из-за высоких температур отверждения, что привело к проблемам с герметизацией и, в конечном итоге, к образованию пустот в деталях. В конечном итоге была разработана модульная, состоящая из нескольких частей, форма из нержавеющей стали с разделенными полостями для улучшения заполнения и смачивания, обеспечения большего давления зажима и облегчения удаления деталей, сообщает Рэдфорд.

Одна из наиболее серьезных проблем заключалась в том, как удерживать крошечную оплетку в правильном положении внутри формы во время литья под давлением. Конечным решением стала удерживающая втулка, состоящая из двух частей, которая зажимает плетеную втулку на конце клапана. Втулка предохраняет волокна от вымывания формы и «раскрывает» оплетку, заставляя смолу проникнуть внутрь, так что смачивание преформы, согласно Рэдфорду, происходит изнутри.

Еще одна проблема заключалась в том, как добавить локальное армирование волокном на торце клапана.Первоначальная идея заключалась в том, чтобы «намотать» конец оплетки на плоскую поверхность, но размещение было неопределенным из-за потока смолы во время впрыска. Ответ заключался в том, чтобы «препрег» высушить углеродную ткань полотняного переплетения путем плавления PETI-RFI в его термопластическом состоянии на ткани. Затем из пропитанной смолой ткани вырезали или вырубали небольшие диски того же диаметра, что и поверхность клапана, для образования дисков, упомянутых выше. По словам Рэдфорда, диски легко вдавливались в лицевую поверхность пресс-формы клапана во время сборки пресс-формы и обеспечивали необходимый дополнительный объем волокна в области головки.«Когда горячая смола вводится в форму, смола в дисках плавится вместе с ней», — объясняет он. «Мы сняли торцевую крышку для инъекций, чтобы убедиться в смачивании диска перед сушкой в ​​печи. Это дает нам гибкость для осуществления аддитивного производства для местных нагрузок и может перейти к добавлению функциональных характеристик, таких как материалы для теплопередачи ».

Результаты испытаний, направления на будущее

Клапаны были успешно изготовлены с использованием углеродной преформы и смолы PETI-RFI в модульной стальной форме.Они весили всего 7,3 грамма, что составляло всего 19 процентов от стандартного стального клапана (твердый титан весил бы 22 грамма). Были проведены испытания на статическое растяжение, двигательно-динамические и заводские испытания двигателя. Клапаны показали хорошие результаты в статических и динамических испытаниях с двигателем, сообщает Рэдфорд. Разрушение при растяжении произошло в области держателя пружины клапана из-за сдвига, но при нагрузке, на порядок превышающей нагрузку клапана, прогнозируемую для реального двигателя. В ходе динамического испытания с приводом клапаны были установлены в испытательном двигателе, соединенном с электродвигателем, который приводил клапаны в действие более 15 минут со скоростью более 5000 об / мин без повреждений.

Настоящее испытание было проведено с установкой клапанов в настоящий гоночный двигатель типа Junior Dragster с боковыми клапанами и воздушным охлаждением с ручным управлением дроссельной заслонкой. Клапаны работали хорошо на холостом ходу, но когда они были доведены до почти полной нагрузки, они вышли из строя в течение 10 минут. При осмотре на поверхности клапана возле седла наблюдалась эрозия и потеря материала. Было очевидно, и это наблюдение было впоследствии подтверждено данными термопары, что у гоночного двигателя с воздушным охлаждением температура впускных клапанов превышала 425 ° C / 797 ° F — намного выше, чем ожидалось.«Мы достигли нашей цели, создав цельный композитный клапан, который по своей конструкции может работать как впускной клапан, но тепловые характеристики самого композитного материала представляют собой настоящую проблему», — говорит Рэдфорд.

Со времени первых экспериментов группа улучшила свою работу на основе извлеченных уроков. Например, все исходные клапанные изделия имели небольшую пористость поверхности, что могло повлиять на тепловые характеристики. Рэдфорд сообщает, что вакуумная дегазация расплава перед впрыском, а также хорошо запечатанная форма теперь считаются критически важными для предотвращения образования пустот.Другие меры включают попытки повысить тепловые характеристики полиимида с помощью наноразмерных добавок. Также исследуются новые неорганические полимеры, в том числе «геополимеры» на основе силиката оксида алюминия, подобные тем, которые предлагает компания Pyromeral (Pont Sainte Maxence, Франция и Даллас, Техас). Эти ручки похожи на двухкомпонентную эпоксидную смолу, могут обрабатываться методом RTM и обеспечивать очень высокие температурные характеристики (~ 750 ° C / 1382 ° F), но прочность — проблема, отмечает он. Клапаны, изготовленные с таким же усилением, но пропитанные керамической матрицей, имеют белый цвет, а не черный.

В качестве альтернативы высокотемпературной матрице также исследуются различные золь-гели и суспензии частиц коллоидного диоксида кремния. Кроме того, команда ищет способы сделать свою оригинальную конструкцию из углеродного волокна / полиимида более устойчивой к нагреванию и эрозии. «Мы изучаем различные термобарьеры, включая напыляемые покрытия или металлические покрытия на поверхности клапана, но все же нам необходимо решить проблемы, связанные с коэффициентом теплового расширения (КТР)», — добавляет Рэдфорд.

Учитывая текущий экономический спад и, как следствие, спад в автомобильной промышленности, производители оригинального оборудования, занятые переосмыслением себя и разработкой «более экологичных» транспортных средств, которые определят будущее транспорта, вряд ли будут рассматривать композитные клапаны в качестве приоритета.Тем не менее, исследование многообещающее. В автогонках, где скорость по-прежнему важнее всего, композитные клапаны — и (кто знает?) Даже полностью композитный двигатель — могут стать следующим прорывом в соревнованиях.

Компоненты клапанного механизма — Осмотр автомобиля

Двигатель

Описание

Клапанный механизм обычно включает распределительный вал, клапаны, клапанные пружины, фиксаторы, коромысла и валы. В двигателях с традиционной установкой распределительного вала в блоке цилиндров клапанный механизм также включает толкатели и толкатели.В двигателях с верхним расположением распредвала может использоваться более одного распредвала на головку блока цилиндров. В двигателях используются разные конфигурации клапанов, например, два, три, четыре или пять клапанов на цилиндр. Эти различные клапанные устройства используются для различных требований к дыханию двигателя. В некоторых двигателях также используется система изменения фаз газораспределения, что позволяет двигателю изменять характеристики дыхания в различных условиях эксплуатации.

Назначение

Клапаны ГБЦ, синхронизированные с коленчатым валом блока цилиндров, позволяют двигателю «дышать».В двигателе это означает втягивание смеси воздуха и топлива в цилиндр с последующим выталкиванием сгоревших выхлопных газов наружу. Чем лучше двигатель дышит, тем он эффективнее.

Советы / предложения по обслуживанию

Обратитесь к руководству по эксплуатации, чтобы узнать, требует ли ваш автомобиль периодической регулировки клапана. Большинству автомобилей они больше не требуются, но есть исключения. Для наилучшего ухода за деталями клапанного механизма придерживайтесь регулярного регламента технического обслуживания, включающего замену масла и фильтров, а также надлежащий уход за системой охлаждения.Также проверьте руководство пользователя, чтобы узнать, каковы интервалы обслуживания ремня ГРМ (если он есть). Обрыв ремня ГРМ на некоторых двигателях может вызвать серьезное повреждение клапанного механизма и других частей двигателя.

Используйте бензин, подходящий для вашего автомобиля, как рекомендовано в руководстве по эксплуатации. В некоторых случаях использование топлива премиум-класса, когда оно не нужно, может вызвать отложения на впускных клапанах, что может вызвать проблемы с производительностью. Некоторые симптомы проблем в клапанном механизме включают двигатель, который издает тикающий шум, работает грубо, трясется, глохнет, глохнет, плохо расходует топливо или не проходит тест на выбросы.Поскольку те же симптомы могут быть вызваны и другими системами двигателя, отнесите свой автомобиль к квалифицированному специалисту по обслуживанию, чтобы определить причину.

Что такое клапан двигателя? — Определение, работа и типы

Что такое клапан двигателя?

Клапаны двигателя — это механические компоненты, используемые в двигателях внутреннего сгорания, чтобы разрешать или ограничивать поток жидкости или газа в камеры сгорания или цилиндры и из них во время работы двигателя.

Функционально они работают аналогично многим другим типам клапанов в том, что они блокируют или пропускают поток, однако они представляют собой чисто механическое устройство, которое взаимодействует с другими компонентами двигателя, такими как коромысла, для открытия и закрытия в правильной последовательности и с правильным сроком.

Термин «клапан двигателя» может также относиться к типу обратного клапана, который используется для впрыска воздуха как часть систем контроля выбросов и рециркуляции выхлопных газов в транспортных средствах. Этот тип клапана двигателя не рассматривается в этой статье.

Клапаны двигателей являются общими для многих типов двигателей внутреннего сгорания, независимо от того, работают ли они на таком топливе, как бензин, дизельное топливо, керосин, природный газ (СПГ) или пропан (LP). Типы двигателей различаются количеством цилиндров, которые представляют собой камеры сгорания, вырабатывающие энергию от воспламенения топлива.

Они также различаются типом работы (2-тактный или 4-тактный) и конструктивным размещением клапанов внутри двигателя [верхний клапан (OHV), верхний кулачок (OHC) или клапан в блоке (VIB). )].

Что такое верхний клапан?

Двигатель с верхним расположением клапанов (OHV) — это поршневой двигатель, клапаны которого расположены в головке блока цилиндров над камерой сгорания. Это контрастирует с более ранними двигателями с плоской головкой, где клапаны располагались ниже камеры сгорания в блоке цилиндров.

Распределительный вал в традиционном двигателе с верхним расположением клапанов расположен в блоке цилиндров. Движение распределительного вала передается с помощью толкателей и коромысел для управления клапанами в верхней части двигателя.

Двигатель с верхним распределительным валом (OHC) также имеет верхние клапаны; однако, чтобы избежать путаницы, двигатели с верхним расположением клапанов, в которых используются толкатели, часто называют «двигателями с толкателями». Некоторые ранние двигатели с «впуском по выпуску» использовали гибридную конструкцию, сочетающую элементы как боковых, так и верхних клапанов.

Как работает клапан двигателя?

Клапан, через который смесь попадает в цилиндр, является впускным клапаном; тот, через который уходят отработавшие газы, является выпускным клапаном. Они предназначены для открывания и закрывания в определенные моменты, чтобы двигатель работал эффективно на всех скоростях.

Работа управляется грушевидными выступами, называемыми кулачками, на вращающемся валу, распределительном валу, приводимом в действие цепью, ремнем или набором шестерен от коленчатого вала.

Там, где распределительный вал установлен в блоке цилиндров, небольшие металлические толкатели цилиндров находятся в каналах над каждым кулачком, а от толкателей металлический толкатель проходит вверх в головку блока цилиндров.Верх каждого толкателя встречается с коромыслом, который упирается в шток клапана, который удерживается в поднятом (закрытом) положении с помощью сильной спиральной пружины — пружины клапана.

По мере того, как толкатель поднимается на кулачок, он поворачивает коромысло, которое толкает клапан вниз (открывает) против давления его пружины. При дальнейшем вращении выступа кулачка пружина клапана закрывает клапан. Это называется системой верхнего клапана (OHV).

Некоторые двигатели не имеют толкателей; клапаны управляются более напрямую от одинарных или двойных распредвалов в самой головке блока цилиндров, то есть в системе верхнего распредвала.

Поскольку между распределительным валом и клапаном меньше движущихся частей, метод верхнего кулачка (OHC) более эффективен и обеспечивает большую мощность для заданного объема двигателя, чем двигатель с толкателями, поскольку он может работать на более высоких скоростях. В любой системе должен быть некоторый свободный ход в приводном механизме, чтобы клапан мог полностью закрываться, когда детали расширяются из-за нагрева.

Предустановленный зазор толкателя необходим между штоком клапана и коромыслом или кулачком, чтобы учесть расширение.Зазоры толкателей сильно различаются на разных автомобилях, и неправильная регулировка может иметь серьезные последствия.

Если зазор слишком велик, клапаны открываются поздно и закрываются раньше, что снижает мощность и увеличивает шум двигателя.

Слишком маленький зазор препятствует правильному закрытию клапанов с последующей потерей сжатия. Некоторые двигатели имеют саморегулирующиеся толкатели, которые гидравлически приводятся в действие давлением моторного масла.

Номенклатура клапанов двигателя

Большинство клапанов двигателя сконструированы как тарельчатые клапаны из-за их толкающего движения вверх и вниз и имеют головку клапана с коническим профилем, которая прилегает к обработанному седлу клапана для перекрытия прохода жидкостей или газов .Их также называют грибовидными клапанами из-за характерной формы головки клапана.

Двумя основными элементами являются шток клапана и головка клапана. Головка содержит галтель, ведущий к поверхности седла, которая обрабатывается под определенным углом, чтобы соответствовать механической обработке седла клапана, с которым она будет соответствовать. Посадка поверхности клапана на седло клапана — это то, что обеспечивает уплотнение клапана против давления сгорания.

Шток клапана соединяет клапан с механическими элементами в двигателе, которые приводят в действие клапан, создавая силу для перемещения штока против давления в седле, создаваемого пружиной клапана.Стопорная канавка используется для удержания пружины в нужном положении, а кончик штока клапана многократно контактирует с коромыслом, толкателем или толкателем, приводящим в действие клапан.

Типы клапанов двигателя

Существует 3 различных типа клапанов двигателя, а именно:

  • Тарельчатый клапан
  • Рукавный клапан
  • Поворотный клапан

1. Тарельчатый клапан

Он также известен как грибовидная заслонка из-за своей формы. Он используется для контроля времени и количества потока газа в двигатель.Это наиболее широко используемый клапан в автомобильном двигателе. Тарельчатый клапан получил свое название из-за его движения вверх и вниз.

Состоит из головки и стержня. Поверхность клапана обычно под углом от 30 ° до 45 ° идеально отшлифована, так как она должна совпадать с седлом клапана для идеального уплотнения. Шток имеет канавку для фиксации пружинного фиксатора, а его конец контактирует с кулачком для движений клапана вверх и вниз. В выхлопе перепад давления помогает герметизировать клапан.Во впускных клапанах перепад давления помогает их открыть.

2. Рукавный клапан

Рукавный клапан, как следует из названия, представляет собой трубку или втулку, которая вставляется между поршнем и стенкой цилиндра в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, где она вращается / скользит.

Отверстия на стороне втулок совпадают с впускным и выпускным отверстиями цилиндра на соответствующих этапах цикла двигателя.

Внутренняя поверхность гильзы образует внутренний цилиндр цилиндра, в котором скользит поршень.Гильза в непрерывном движении допускает и вытесняет газы за счет периодического совпадения прорези порта в гильзе с портами, образованными через отливку главного цилиндра.

Преимущества: Эти клапаны просты по конструкции и бесшумны в эксплуатации. Шум возникает из-за отсутствия деталей, создающих шум, таких как кулачки клапана, коромысло, толкатели, клапаны и т. Д. Клапан с гильзой имеет меньшую тенденцию к детонации. Охлаждение очень эффективно, так как клапан соприкасается с водяной рубашкой.

3. Поворотный клапан

Существует много типов поворотных клапанов. На рисунке показан дисковый поворотный клапан. Он состоит из вращающегося диска с отверстием. Во время вращения он поочередно сообщается с впускным и выпускным коллекторами.

Преимущества: Поворотные клапаны просты в конструкции и производятся с меньшими затратами. Они подходят для быстроходных двигателей. У этих клапанов меньше напряжений и вибраций. Роторные икры работают плавно, равномерно и без шума.

СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ

Диагностика неисправности клапана в двигателях внутреннего сгорания с использованием акустической эмиссии и искусственной нейронной сети

В этой статье представлен потенциал метода акустической эмиссии (AE) для обнаружения повреждений клапана в двигателях внутреннего сгорания. В качестве экспериментальной установки использовалась головка блока цилиндров двигателя с искровым зажиганием. Было исследовано влияние трех типов повреждений клапана (зазор, полутрещина и насечка) на утечку клапана.Результаты экспериментов показали, что АЭ является эффективным методом обнаружения повреждений и типов повреждений в клапанах как во временной, так и в частотной областях. Искусственная нейронная сеть была обучена на основе анализа во временной области с использованием параметрических характеристик АЭ (, количество, абсолютная энергия АЭ, максимальная амплитуда сигнала и средний уровень сигнала). Сеть состояла из пяти, шести и пяти узлов на входном, скрытом и выходном уровнях соответственно. Результаты обученной системы показали, что метод АЭ можно использовать для определения типа повреждения и его местоположения.

1. Введение

Клапаны в двигателе внутреннего сгорания играют важную роль в работе двигателя. Кроме того, они являются наиболее важными компонентами клапанного механизма и выдерживают высокие температуры и импульсы давления газа. При анализе отказов клапанного механизма отказы клапанов представляют собой наиболее распространенные проблемы. Основными причинами отказа клапана являются деформация седла клапана, отложения на клапане, малый зазор толкателя, обгоревший клапан, эрозия клапанов, тепловая усталость, точечная коррозия, разрывы и износ [1, 2].В последние годы внедрение методов мониторинга состояния двигателей внутреннего сгорания (ВС) привело к появлению надежных ненавязчивых методов диагностики двигателей [3].

Турбулентный поток, такой как поток воздуха через клапаны, может вызывать вибрации в их конструкциях. Частота колебаний зависит от жесткости конструкции. Амплитуда зависит от средней скорости потока и от того, насколько близка частота воздействия к собственной частоте конструкции. Формулировка аэроакустической задачи Лайтхилла показала, что область перемешивания струи может быть приравнена к объему квадруполей с силой, пропорциональной тензору напряжений в движущейся жидкости.Такая математическая формулировка позволяет оценить уровни акустической мощности излучаемой струи, пропорциональные [4]: где — мощность звука (Вт), — диаметр отверстия утечки, — средняя скорость турбулентной струи (м / с), — скорость звука в жидкости (м / с). Уравнение (1) ясно показывает, что наибольшее влияние на генерацию звука оказывает скорость потока. Масса входящего / выходящего потока воздуха в цилиндр зависит от плотности, скорости и площади воздуха, через которую проходит газ: где — массовый расход (кг / с), представляет площадь, через которую протекает газ (м 2 ), связывает плотность потока (кг / м 3 ) и — скорость потока (м / с).В этом исследовании диаметры клапана были для выпускного клапана и для впускного клапана.

Анализ вибрации — это хорошо зарекомендовавший себя метод диагностики неисправностей вращающегося оборудования, особенно двигателей внутреннего сгорания. Применение этого метода к двигателю внутреннего сгорания сильно зависит от отказов двигателя, вспомогательных устройств и механических событий в двигателе [5]. Высокое отношение сигнал / шум, характерное для сигнала АЭ по сравнению с анализом вибрации, привело в последнее десятилетие к повсеместному интересу к применению АЭ в области диагностики неисправностей двигателей [6].

Недавние исследования показали успех применения АЭ для двигателей внутреннего сгорания. Были смоделированы различные неисправности и процессы двигателя, в том числе пропуски зажигания в цилиндре [7], протечки через прокладки выпускного коллектора [8], задиры поршневых колец / гильз цилиндров [9], проблемы и процессы впрыска топлива [10–13], давление в цилиндрах [14] , смазка двигателя [15] и утечка клапана (VL) [16–21].

Существуют комплексные методы диагностики неисправностей ВЛ с использованием метода АЭ. Все они моделируют неисправность ВЛ с помощью изменения зазора клапана [16–21]; тем не менее, существуют важные причины, помимо зазора, которые приводят к VL, такие как трещина в головке клапана и выемка в головке клапана.Использование сигналов AE в VL для определения типа неисправности — это новая область исследований, которая рассматривалась в этом исследовании. Три типа неисправности (зазор клапана, трещина в головке клапана и выемка в головке клапана) были искусственно смоделированы следующим образом. (I) Неисправность зазора клапана была смоделирована очень небольшим подъемом клапана. (Ii) трещина в головке клапана моделировалась с помощью полуторозина на головке выпускного / впускного клапана. (iii) Удаление небольшого количества материала головки клапана имитирует выемку на головке клапана.

Испытательная установка представляла собой головку блока цилиндров двигателя с искровым зажиганием.Целью этого исследования на данном этапе было использование сигналов AE в VL для определения типов неисправностей в неработающем двигателе.

2. Экспериментальная установка
2.1. Испытательная установка и измерительная система

Испытательная установка состояла из алюминиевой головки блока цилиндров небольшого четырехцилиндрового двигателя с искровым зажиганием. На рис. 1 (а) показано положение четырех широкополосных датчиков АЭ на головке блока цилиндров и схематическое изображение испытательного стенда. Сжатый воздух поступал в камеру сгорания через отверстие для свечи зажигания.Расход воздуха измеряли с помощью расходомера воздуха с точностью до 1 л / мин.

2.2. Система сбора данных AE

Сигналы AE были получены с использованием четырех широкополосных датчиков. Рабочая частота фильтровалась от 100 кГц до 1 МГц. Датчики AE были прикреплены к головке блока цилиндров с помощью тонких слоев вакуумной смазки. Затем сигналы усиливались с помощью предварительных усилителей PAC 2/4/6 перед записью. Затем сигналы были оцифрованы с использованием системы сбора данных AE PAC PCI-2 (18 бит A / D, 40 МГц, 4 канала).Необработанные данные были получены с частотой дискретизации 2 МГц. Датчики AE были установлены на головке блока цилиндров рядом с отверстием для свечи зажигания на всех четырех цилиндрах, как показано на рисунке 1.

2.3. Типы смоделированных неисправностей клапана

Были искусственно смоделированы три типа неисправности клапана. Процедуры испытаний были одинаковыми для всех случаев: ввод сжатого воздуха через отверстие для свечи зажигания и измерение утечки в порте целевого клапана, вызванной неисправным клапаном. Эти неисправности подробно описаны ниже. (I) Semicracked Valve .Эта неисправность была смоделирована путем создания на головке клапана полутрещины методом проволочной резки. С помощью этого метода были смоделированы выпускной клапан цилиндра № 1 и впускной клапан цилиндра № 2. Площадь удаленной поверхности головки клапана была такой, как показано на Рисунке 2. (ii) Клапан с выемкой . Эта неисправность была смоделирована путем удаления небольшого количества материала с посадочной поверхности выпускного клапана, как показано на Рисунке 3. (iii) Зазор клапана . Эта неисправность была смоделирована значением 0.Подъем на 1 мм к выпускному и впускному клапанам цилиндра № 4. На рис. 4 показан исправный клапан в цилиндре 4, который не имеет утечек при нулевом подъеме. Внешний подъемник имитировал дополнительный просвет.



2.4. Процедура испытания

Клапаны цилиндра 4 были исправны и не имели утечки при нулевом подъеме; поэтому выпускной и впускной клапаны были отдельно подняты на 0,1 мм с помощью подъемного болта. Подъем был измерен стрелочным индикатором с точностью 0,01 мм, как показано на рисунке 1 (b).На каждом этапе открывался один клапан (выпускной или впускной). Входящий сжатый воздух регулировался с помощью регулятора давления от 1 до 6 бар. При каждом давлении регистрировались все параметры (4 датчика АЭ, скорость утечки, подъем и давление воздуха на входе). Для цилиндров с 1 по 3 не было подъема, потому что один клапан каждого цилиндра был неисправен и имел утечку при нулевом подъеме.

3. Результаты и обсуждение
3.1. Результаты утечки клапана

На рис. 5 показано значение VL для всех четырех цилиндров в сравнении с воздухом под давлением на входе для различных типов неисправностей.Как и ожидалось, скорость утечки увеличивалась по мере увеличения давления для всех типов неисправностей.


3.2. Анализ сигнала во временной области

Анализ во временной области позволяет выявить общую амплитуду сигнала, периодические характеристики и тип сигнала АЭ. На рисунках 6, 7, 8 и 9 показана необработанная форма волны AE, вызванная VL на каждом цилиндре. Данные на рисунках 6–9 относятся к ближайшему к исследуемому цилиндру датчику АЭ (датчики 1–4 для цилиндров 1–4 соответственно). На рисунке 10 показаны сигналы AE, записанные для исправных клапанов без утечки при нулевом подъеме и исправных клапанов из тех же цилиндров без утечек при нулевом подъеме.На рисунках 6–9 показан сигнал АЭ, полученный за 0,02 с.





Уравнение (1) показывает, что уровень акустической мощности был пропорционален, что означает, что уровень акустической мощности сильно зависел от скорости утечки; следовательно, увеличение скорости утечки вызвало очень четкое изменение амплитуды сигнала АЭ.

Во всех случаях было замечено, что сигналы AE обычно были непрерывными, а амплитуда сигнала AE увеличивалась по мере увеличения давления на входе.На рисунках 6–8 показаны результаты для клапанов с полуторсинами и зубьями в цилиндрах 1–3. Видно, что сигналы АЭ были очень похожи по форме волны и амплитуде; таким образом, было нелегко различить сигналы, вызванные разными неисправностями.

На рисунке 9 показаны результаты для поднятых клапанов в цилиндре 4 и показано, что сигналы имеют лишь немного другую волну. Видно, что сигналы АЭ, регистрируемые от выпускных и впускных клапанов, почти одинаковы.

Сигналы на рисунке 10 могут рассматриваться как основные амплитуды АЭ для VL и связаны с наличием сжатого воздуха в камере цилиндра, испытательной установкой, окружающей средой и фоновым шумом.

3.3. Анализ сигналов в частотной области

Частотный анализ сигнала AE от VL показывает распределение энергии сигнала в частотной области. На рисунках 11, 12, 13 и 14 показана спектральная плотность мощности (PSD) сигналов, показанных на рисунках 6–9. Частотный анализ сигналов АЭ показывает, что утечка газа генерирует широкополосный сигнал АЭ. Более того, сравнение рисунка 15 для спектра здоровых клапанов с рисунками 11–14 показывает, что в спектре неисправных клапанов есть некоторые отметки, а в здоровых их нет.





На рисунках 11–13 частотный анализ сигналов АЭ для клапанов с полутресками и пазами показал аналогичное поведение, как и следовало ожидать, исходя из форм сигналов на рисунках 6–8. На рисунке 14 показаны результаты частотного анализа сигнала AE от VL выпуска и впуска цилиндра 4. Можно видеть, что и выпуск, и впуск были очень похожи в своих анализах PSD. На рисунке 15 представлен анализ PSD сигнала АЭ, записанного для исправных клапанов без утечки.

Хотя частотный анализ обнаружил исправные и смоделированные неисправные клапаны в частотной области, этот метод столкнулся с трудностями в демонстрации четкой разницы между типами неисправных клапанов. Например, было сложно отличить клапаны с полутрещинами от зубчатых. Для разделения различных типов неисправностей требуется опытный и систематический метод. На этом этапе использовалась искусственная нейронная сеть (ИНС), основанная на параметрах АЭ, извлеченных из необработанных сигналов АЭ.В качестве параметров использовались основные параметры АЭ: АЭ, среднеквадратичное значение, счетчик, абсолютная энергия АЭ, максимальная амплитуда сигнала и средний уровень сигнала.

4. Искусственная нейронная сеть для определения типа неисправности клапана

Искусственные нейронные сети (ИНС) могут идентифицировать коррелированные шаблоны между входным набором данных и соответствующими целевыми значениями. ИНС обладают хорошей способностью к предсказанию, распознаванию образов, сжатию данных и принятию решений [22]. На рисунке 16 показана модель искусственного нейрона.


ИНС была принята для использования пяти параметров (AE , среднеквадратичное значение , количество, абсолютная энергия AE, максимальная амплитуда сигнала, средний уровень сигнала) для определения типа неисправности клапана. Входной слой состоял из пяти узлов, соответствующих пяти входным объектам. Скрытый слой имел шесть узлов, а выходной слой имел шесть узлов, из которых пять узлов представляют тип неисправности клапана, а один узел зарезервирован для исправного состояния. Выход каждого узла определяется следующей сигмоидной функцией: где net — обучающие данные, — вектор весов, — вектор входных данных и — передаточная функция.

Метод обратного распространения ошибки использовался для определения весов между каждой парой узлов. Общий набор данных для каждого класса состоял из 200 выборок данных, и каждая выборка данных состояла из 40 000 точек данных. 200 выборок данных были случайным образом разделены на две равные группы: одну для обучения, а другую — для тестирования. В таблице 1 показаны условия вывода.


Номер узла Тип неисправности клапана

O 1 Нулевой подъем клапана 9044 9044 Клапаны нулевого подъема 9044 9044 Нулевые клапаны 9044 O 2 Цилиндр 1, выпускной клапан с полусредством
O 3 Цилиндр 2, впускной клапан с полусинхронизацией
O 4 9044 Цилиндр 3 9044 9044 9044 9044 Цилиндр 3 с выемкой 5 Цилиндр 4, зазор клапанов, подъем выпускного клапана
O 6 Цилиндр 4, зазор клапанов, подъем впускного клапана

Рис. показывает эффективность максимальной амплитуды, AE rms , и подсчет при классификации шести классов состояния клапана.Как видно, некоторые неисправности клапана можно классифицировать визуально, но другие классы имеют очень похожие свойства. Для их классификации с высокой производительностью необходима более эффективная экспертная система.


В таблице 2 представлена ​​матрица неточностей метода ИНС. Матрица неточностей показывает, что модель ИНС смогла правильно классифицировать сигналы АЕ. Наиболее важной проблемой для обученной экспертной системы является то, что классификатор может обнаружить сигнал неисправности из исправного сигнала. Таблица 2 показывает, что ИНС правильно обнаруживает неисправные и исправные клапаны.Все ошибочные сигналы правильно отличались от здоровых сигналов. Экспертная система ИНС хорошо зарекомендовала себя при определении типа неисправности клапанов. Например, он разумно отделил выпускной клапан с полусинхронизацией (класс O 2 ) от других неисправных классов (классы от O 3 до O 6 ). Из Фиг.17 можно видеть, что O 5 и O 6 имеют очень близкие свойства, и способность экспертной системы различать O 5 и O 6 была ниже, чем у других классов.

905 905 905 905 6 9045 0 9045 045 0441 9045 100 9045 9045 045 0 9045 0441 9045 045 0 9045 0 9045 0 9045 0 9045 9045 0 9045 0 9045

Состояние клапана Давление (бар) O 1 O 2 O 3 O 6 Чувствительность (%) Состояние клапана O 1 O 2 O 3 O 4 Чувствительность (%)

О 1 1 100 0 0 0 0 0 100 O 4 0 3 3 3 0 100
2 100 0 0 0 0 0 0 0 0 9044 9044 9044 9044 9044 904 3 100 0 0 0 0 0 0 0 0 100 0 0
0 0 0 0 0 0 100 0 0
5 100 0 0 0 0 0 0 0 100 0 0
6 100 0 0 9044 0 0 0 100 0 0

O 2 1 0 9045 9845 0 99 O 5 0 0 0 0 88 12 79
2 0 0 0 0 0 0 67 33
3 0 98 2 0 0 0 0 0 0 75 25
4 0 100 0 0 0 0 86 14
5 0 100 0 0 0 0 0 12
6 0 100 0 0 0 0 0 0 0 0
O 3 1 0 1 99 0 0 0 100 O 6 0 9044 0 0 0 7 93 75
2 0 0 100 0 0 0 9044 0 27 73
3 0 0 100 0 0 0 0 0 0 9044
4 0 0 100 0 0 0 0 0 0 0 28 9044 5 9044 0 100 0 0 0 0 0 0 0 22 78
6 0 2 41 98 0 0 0 0 0 0 0 27 73

N Итого: общая:
5.Заключение

В этом исследовании была построена экспертная система на основе данных акустической эмиссии для различения типов неисправностей клапана. Три неисправности клапана (треснувший клапан, зубчатый клапан и зазор клапана) были смоделированы и использованы в головке блока цилиндров бензинового двигателя внутреннего сгорания. Было показано, что использование анализа во временной и частотной областях позволяет определить разницу только между неисправными и исправными клапанами. В исправных клапанах утечки нет, а их сигналы АЭ имеют низкую амплитуду. Чтобы различать типы неисправностей в клапанах, была использована ИНС на основе функций AE.Он был обучен с использованием пяти параметров AE (AE rms , счетчик, абсолютная энергия AE, максимальная амплитуда сигнала и средний уровень сигнала) для разделения неисправностей. Эти параметры очень хорошо коррелировали с утечкой клапана, и ИНС была хорошо обучена с использованием случайных сегментированных данных. Результаты этой экспертной системы показали хорошую производительность (более 92%) в различении неисправных и исправных клапанов и типов неисправностей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *