Впускной и выпускной клапан: описание, характеристика
Главное отличие впускного клапана от выпускного — диаметр тарелки: у впускного она больше. Почему? Потому что всасывание воздуха из атмосферы в цилиндр под действием разрежения происходит с меньшей скоростью, чем выталкивание его из цилиндра поршнем.
Все просто: количество воздуха (или топливовоздушной смеси) — одинаковое, а скорость — разная. Соответственно, там, где скорость ниже, отверстие шире, а закрывающая его тарелка — больше в диаметре.
Все это справедливо для тех клапанных механизмов, где впускных и выпускных клапанов — равное количество — по одному или по два. Впрочем, есть моторы с нечетным количеством клапанов: два впускных + один выпускной или три впускных + два выпускных. Тут все наоборот: диаметр тарелок выпускных клапанов будет больше, чем у впускных, ибо производитель компенсировал низкую скорость всасывания добавлением одного «лишнего» отверстия, а не увеличением диаметра. Подробнее о соотношении клапанов и цилиндров можно прочитать в соответствующей статье.
Второе важное отличие в конструкции клапанов — их рабочая температура. Впускные клапаны работают при 350-500 градусах, а вот выпускным тяжелее — раскаленные отработавшие газы нагревают их до 700-900 градусов. Поэтому, соответственно, выпускные клапаны часто делают более жаропрочными.
Головки (или тарелки) впускного и выпускного клапанов могут быть как одинакового диаметра, так и разного. (на автомобилях устаревших марок с малым перекрытием клапанов) -моё прим. Обычно головку впускного клапана делают большего диаметра для улучшения наполнения цилиндра. Например, размеры клапанов двигателя автомобиля ГАЗ-53А: диаметр головки впускного клапана 47 мм, а выпускного 36 мм. В дизеле КамАЗ-740 диаметр тарелки впускного клапана 51 мм, а выпускного 46 мм. Впускной большой выпускной маленький.
Выпускной клапан двигателя
Выпускной клапан — элемент ГРМ, при открытии которого происходит удаление (выпуск) отработавших газов из камеры сгорания двигателя. Выпуск газов происходит тогда, когда поршень в цилиндре двигателя направляется от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ). В процессе работы двигателя выпускные клапаны подвергаются значительным термическим нагрузкам, так как постоянно контактируют с раскаленными отработавшими газами. Головка клапана при работе ДВС может разогреваться в пределах 600-800 градусов.
После окончания такта впуска и сжатия главным требованием в момент возгорания топлива в камере сгорания является максимальная герметичность. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Когда поршень принял на себя энергию расширяющихся газов после возгорания топливно-воздушной смеси, из камеры сгорания необходимо удалить эти отработавшие газы. Герметизация камеры на данном этапе уже не нужна. За удаление выхлопных газов в конструкции газораспределительного механизма отвечает выпускной тарельчатый клапан, который размещен в головке блока цилиндров (ГБЦ).
На такте впуска создается разряжение, а на такте выпуска в рабочей камере сгорания двигателя образуется повышенное давление. После сгорания смеси топлива и воздуха отработавшие газы покидают камеру сгорания через открывающийся в нужный момент выпускной клапан. Сила давления позволяет газам с легкостью выйти из рабочей камеры. Этим объясняется меньший размер тарелки выпускного клапана сравнительно с тарелкой впускного клапана. На такте впуска разрежение по своей силе меньше давления на выпуске. Выхлопные газы практически выталкиваются наружу через открытый выпускной клапан.
Эффективная герметизация камеры сгорания стала возможна благодаря использованию тарельчатых клапанов в конструкции ГРМ современных ДВС. Устройство клапана простое, элемент имеет тарелку и стержень. Фаска плавно переходит в стержень, что делает клапан достаточно прочным. Коническая форма перехода заметно снижает сопротивление выхлопных газов при выходе из камеры, а также дополнительно улучшает герметизацию.
Открытие выпускного клапана происходит благодаря полученному усилию от кулачка распределительного вала. Стержень (шток) клапана находится в направляющей втулке клапана, которая запрессована в ГБЦ. Кулачок распредвала нажимает прямо на шток клапана или на рокера, от которого усилие передается на стержень. В ГБЦ также размещено седло клапана. Седло клапана представляет собой углубление, которое по своей форме соответствует верхней части тарелки клапана. Тарелка клапана и седло клапана с филигранной точностью прижимаются друг к другу. Данное решение позволяет обеспечить максимальную герметичность в тот момент, когда закрыты впускной и выпускной клапаны. Главной задачей становится исключить прорыв газов из камеры сгорания.
На верхней части стержня клапана выполнена специальная выточка. Указанная выточка является местом установки «сухаря». Данный «сухарь» представляет собой коническое кольцо, которое разрезано на две равных части. Решение необходимо для крепления тарелки пружины клапана. Если открытие клапана осуществляется за счет «толчка» от кулачка распредвала, то закрытие клапана реализовано посредством усилия пружины клапана. Указанная пружина закрывает клапан, плотно прижимая тарелку к седлу. Дополнительно имеется механизм, который осуществляет проворачивание клапана. Это необходимо для равномерного износа клапана и очистки клапана от нагара.
Выпускной клапан работает в крайне сложных условиях. Отработавшие газы вызывают сильную коррозию выпускных клапанов. Если топливо сгорает в камере не полностью, тогда это может привести к прогару клапана. Регулировка клапанного механизма является важной процедурой в процессе эксплуатации ДВС. Раннее закрытие выпускного клапана может привести к быстрому его прогару.
В процессе эксплуатации любого ДВС тарелка клапана и седло покрываются нагаром. Избежать нагара на клапанах практически не представляется возможным. Наличие нагара вызывает постоянный перегрев выпускного клапана. Рано или поздно опорная поверхность клапана начинает выгорать, что приводит к потере герметичности в камере сгорания. Результатом становится прогрессирующая потеря мощности ДВС, затрудненный пуск и т.д.
Появившиеся от перегрева микротрещины на тарелке клапана постепенно увеличиваются, так как раскаленные газы под давлением начинают прорываться наружу из камеры сгорания. Головка клапана в таких условиях деформируется и далее разрушается. Выход клапана из строя фактически означает полную потерю цилиндром двигателя своей функциональности. После замены обязательно требуется притирка клапана к седлу для максимально точного прилегания. Игнорирование процедуры или некачественное выполнение притирки клапанов приведет к быстрому выходу нового клапана из строя.
Вполне очевидно, что перегрев является серьезной проблемой выпускных клапанов. Для изготовления выпускного клапана используется особая хромоникельмолибденовая сталь. Основой является никель, который повышает устойчивость выпускного клапана к механическому разрушению. Сталь для изготовления клапанов отличается высокой жаропрочностью.
Следующим шагом по снижению термонагруженности выпускного клапана становится его конструкция, которая отличается от устройства впускных клапанов.
Стержень выпускного клапана полый, полость заполнена металлическим натрием. Натрий расплавляется и перетекает внутри стержня клапана, что позволяет улучшить теплообмен и равномерно распределить нагрев.
Выпускной клапан также может иметь дополнительную защиту, которая способна значительно продлить срок службы элемента. Единственным недостатком можно считать конечное удорожание производства детали.
Среди наиболее распространенных способов защиты отмечены:
- лазерное легирование;
- метод плазменно-порошковой наплавки;
- наплавка токами высокой частоты;
Впускной клапан двигателя
Впускной клапан — элемент механизма газораспределения ДВС, который отвечает за пропуск в рабочую камеру сгорания топливно-воздушной смеси или только воздуха (для дизельных ДВС или моторов с непосредственным впрыском). Впускной клапан ГРМ осуществляет открытие доступа в цилиндр двигателя, а затем перекрывает доступ перед тем моментом, когда начнется такт сжатия.
Впускные клапаны изготавливают из особой стали. К такой стали для изготовления клапанов двигателя внутреннего сгорания выдвигаются отдельные требования:
- высокая твердость поверхности;
- достаточная теплопроводность материала;
- узкий коэффициент термического расширения;
- противостояние разъедающему влиянию продуктов сгорания;
- возможность противостоять регулярным динамическим нагрузкам при высоком нагреве;
Дополнительные требования к стали для клапанов предполагают отсутствие эффекта закаливания в момент охлаждения клапана после работы в условиях высоких температур. Это означает, что при остывании сталь не должна становится хрупкой. Данным требованиям на 100% не соответствует ни одна из разработанных сегодня марок стали.
Клапаны ДВС изготавливают из высоколегированных сильхромов, что позволяет указанной детали работать в условиях высочайшего нагрева. Такой подход обеспечил нужную прочность клапана, а также возможность элемента противостоять коррозионным процессам, которые активно прогрессируют в среде его работы при высоких температурах около 600 — 800 °C.
Клапаны размещают под определенным углом (30-45 градусов) по отношению к вертикальной оси. Отличием впускного клапана от выпускного является то, что его тарелка имеет больший диаметр сравнительно с тарелкой выпускного клапана. Такое различие вызвано тем, что момент открытия впускного клапана происходит именно тогда, кода в камере сгорания появляется разрежение. В момент выпуска в цилиндре имеет место повышение давления.
Разрежение в цилиндре на впуске уступает давлению по силе на такте выпуска. Для максимально качественного и полного наполнения рабочей топливно-воздушной смесью на впуске необходимы клапана с большей пропускной способностью. Такая пропускная способность реализована посредством увеличения диаметра тарелки впускного клапана или количества впускных клапанов.
Тарелка впускного клапана со стороны рабочей камеры сгорания плоская, а со стороны распределительного вала получает форму конуса. Данный конус еще называется фаской. В момент закрытия впускного клапана фаска прилегает к седлу клапана, которое также представляет собой коническое отверстие в ГБЦ.
Точность посадки впускного клапана обеспечена благодаря использованию направляющей втулки. В указанную втулку вставляется стержень клапана, а сама втулка называется направляющей клапана. Направляющие клапанов запрессованы в корпус ГБЦ, а также дополнительно зафиксированы посредством стопорного кольца.
Современные силовые агрегаты имеют тенденцию к увеличению количества впускных клапанов на цилиндр для улучшения пропускной способности, повышения эффективности наполнения цилиндра рабочей топливно-воздушной смесью и улучшения мощностных и других характеристик ДВС.
Клапан получает внутреннюю и наружную пружины. Данные цилиндрические пружины закрепляют на стержне клапана. Открытие впускного клапана на такте впуска становится возможным благодаря тому, что усилие от кулачка распределительного вала передается на рокера (толкатель). Конструкция современных ДВС подразумевает прямое воздействие кулачка распредвала на клапан. Пружины клапана плотно закрывают (прижимают) клапан обратно после того, как рокер сбегает с толкателя или стержень клапана прекращает контактировать с кулачком распредвала.
Между распределительным валом (его кулачком) и стержнем клапана (его торцевой частью) имеется конструктивный зазор. Такой зазор (может находиться на отметке 0,3-0,05 мм) создан для компенсации теплового расширения впускного клапана.
Открытие и закрытие впускных клапанов в четко определенный момент становится возможным благодаря угловому положению распредвала, которое в точности совпадает с аналогичным положением коленчатого вала ДВС. Получается, положение распредвала в момент открытия впускных клапанов строго соответствует положению коленвала. Конструкции двигателей могут отличаться, количество распредвалов может быть разным.
Впускной клапан начинает приоткрываться немного раньше того момента, когда поршень окажется в ВМТ (высшая мертвая точка). Это означает, что в самом начале такта впуска (когда поршень начинает опускаться вниз), впускной клапан уже немного открыт. Такое решение называется опережением открытия клапана. Различные модели силовых агрегатов имеют разное опережение, а рамки колебаний находятся в пределах от 5-и до 30-и градусов.
Закрытие впускного клапана осуществляется с небольшой задержкой. Клапан закрывается в тот момент, когда поршень в цилиндре оказывается в нижней мертвой точке и далее начинается движение вверх. Цилиндр продолжает наполняться и после начала движения поршня вверх. Такое явление происходит в результате инерционного движения во впускном коллекторе.
Основными неисправностями, которые напрямую связаны с клапанами ДВС, являются: загибание клапанов, зарастание клапанов нагаром и прогар клапана. Загибание клапанов чаще всего происходит по причине обрыва ремня ГРМ. Не менее часто гнет клапана и при неправильно выставленных метках в процессе замены приводного ремня ГРМ. Менять ремень ГРМ и выставлять метки на шкивах распредвала и коленвала нужно с повышенным вниманием.
Неисправностью клапанного механизма становится образование нагара на впускных и выпускных клапанах, что проявляется в повышенном шуме в процессе работы и падении мощности ДВС. Характерно появление металлического стука в области клапанной крышки на ГБЦ, а также проблемы с клапанами выявляют по хлопкам во впускном и выпускном коллекторе.
Нагар на клапанах и седлах не позволяет элементам плотно прилегать друг к другу, что ведет к потере необходимого показателя компрессии в двигателе. Снижение компрессии означает потерю мощности ДВС. Сильный нагар также приводит к перегреву и прогару клапана.
Неисправность пружин клапана может привести к деформации ГБЦ и заеданию стержня в направляющей клапана. Неправильный тепловой зазор между рычагом и стержнем приводит к сильному стуку клапанов. В таком случае необходимо немедленно заниматься выставлением требуемого производителем теплового зазора. Автолюбители называют эту процедуру регулировкой клапанов. Регулировать клапана нужно с определенной периодичностью в процессе эксплуатации мотора, а также если указанная возможность отрегулировать клапана двигателя изначально предусмотрена конструктивно.
Впускной клапан
Впускной клапан газораспределительного механизма открывает доступ в цилиндр топливо-воздушной смеси и прекращает доступ перед началом такта сжатия. В случае с дизельным двигателем клапан пропускает в камеру сгорания только воздух.
При обрыве ремня ГРМ впускные клапана «зависают», так как распредвал перестает вращаться. Тарелки клапанов, оказавшихся открытыми, ударяются о поверхность цилиндра
Клапана располагаются под углом от 30 до 45 градусов относительно вертикальной оси. Тарелка впускного клапана больше, чем у выпускного. Разница обусловлена тем, что в момент открытия впускного клапана в камере сгорания образуется разрежение, а в момент выпуска — повышенное давление. Сила разрежения ниже силы давления, поэтому для впуска требуются клапана с большей поверхностью головки, чтобы обеспечить пропускание необходимого объема топливо-воздушной смеси.
Устройство впускного клапана
Состоит клапан из тарелки и стержня. Плоская со стороны камеры сгорания тарелка впускного клапана имеет конусную форму со стороны распредвала (фаску). При полном закрытии она плотно прилегает к «седлу» (коническому отверстию) в головке блока цилиндров. Точную посадку впускного клапана обеспечивает направляющая втулка, в которой перемещается стержень клапана. Она запрессована в корпус головки блока цилиндров и зафиксирована стопорным кольцом.
Современная тенденция в конструировании ГРМ — увеличение количества впускных клапанов на один цилиндр. Это позволяет увеличить пропускную способность цилиндра и повысить мощность двигателя
Впускной клапан имеет внутреннюю и наружную цилиндрические пружины, которые крепятся на стержне клапана.
В действие впускной клапан приводится рычагом (рокером) от кулачка распределительного вала, или, в большинстве современных двигателей непосредственно давлением кулачка. Пружина обеспечивает постоянный контакт стержня впускного клапана с концом рокера или с кулачком.
Между кулачком распределительного вала и торцом стержня клапана конструктивно закладывается зазор. Это дает возможность компенсировать тепловое расширение впускного клапана. Величина такого зазора составляет 0,3-0,05 мм.
Принцип работы впускного клапана
Своевременное открытие и закрытие впускного клапана обеспечивает угловое положение распределительного вала, точно синхронизированного с таким же угловым положением коленчатого вала. То есть, угловое положение одного строго соответствует определенному угловому положению другого.
В зависимости от модели двигателя, впускных клапанов может быть и несколько на один цилиндр.
Для радикального изменения опережения открытия клапанов необходимо приобрести комплект спортивных распредвалов
Прежде, чем поршень достигнет высшей мертвой точки, начинает открываться впускной клапан — то есть, при такте впуска, к началу движения поршня вниз, клапан уже приоткрыт. Для разных моделей двигателей существует свое опережение открытия клапана. Пределы колебаний составляют 5-30 градусов.
А вот закрытие впускного клапана происходит с некоторой задержкой, после того как поршень достигает нижней мертвой точки и начинает движение вверх. Заполнение цилиндра продолжается даже после начала движения. Это происходит вследствие инерции во впускном коллекторе.
Характерные поломки впускных клапанов
Безусловно, самой распространенной поломкой клапанов необходимо признать их загибание в результате обрыва ремня ГРМ. То же самое может произойти и без обрыва, если заменой ремня занимался непрофессионал, ошибочно выставивший метки на шкивах коленвала и распредвала (или распредвалов). Особенно опасны обрывы для современных сложных двигателей, оснащенных механизмом изменяемых фаз газораспределения и прочими высокотехнологичными системами.
Еще одна распространенная неисправность клапанного механизма зарастание впускных и выпускных клапанов нагаром. Как правило, определить проблему можно на достаточно ранней стадии по снижению мощности и хлопкам во впускном и выпускном трубопроводах, металлическому стуку в головке блока цилиндров и падению мощности двигателя.
Отложение нагара на седлах и клапанах препятствует их плотному прилеганию и уменьшает компрессию. Вследствие этого уменьшается и мощность двигателя. Поломки пружин могут вызвать неплотное прилегание клапана к седлу и приводить к деформации головки блока цилиндров, образованию раковин или заеданию стержня. Большой тепловой зазор между рычагом и стержнем клапана также ведет к появлению резкого металлического стука и падению мощности двигателя.
Материалы для производства клапанов
Для изготовления впускных клапанов используется хромистая сталь, обладающая стойкостью против коррозии в газовых средах при температурах свыше 550 °C. Этот вид стали достаточно хрупок.
Впускные и выпускные клапаны автомобильных двигателей имеют тарельчатую форму. Клапан открывается под действием клапанного механизма, управляемого эксцентриковым кулачком. Работа кулачка синхронизирована с положением поршня и периодом вращения коленчатого вала.
В связи с этим они изготавливаются из более стойких материалов, чем впускные клапаны, и соответственно стоят дороже.
Направляющая втулка клапана расположена соосно с седлом клапана, так чтобы между рабочей фаской клапана и седлом обеспечивался герметичный газонепроницаемый контакт. Рабочая фаска клапана и седло скошены под углом 30° или 45°. Это номинальные значения угла фаски. Фактические значения могут на один-два градуса отличаться от номинальных. Клапаны и седла клапанов, используемые в большинстве двигателей, имеют номинальный угол фаски, равный 45°. Клапан прижимается к седлу под действием пружины. Пружина удерживается на стержне клапана (некоторые автомеханики называют его штоком клапана) опорной тарелкой пружины, которая, в свою очередь, контрится на стержне клапана замком (сухариками). Для демонтажа клапана необходимо сжать пружину и снять сухарики. После этого можно снять пружину, манжету, и вынуть клапан из головки.
Всесторонние испытания показали, что между различными геометрическими параметрами клапанов существуют оптимальные соотношения. В двигателях с цилиндрами внутренним диаметром от 3 до 8 дюймов (от 80 до 200 мм) для впускного клапана оптимальным будет диаметр головки, составляющий приблизительно 45% внутреннего диаметра цилиндра. Оптимальный диаметр головки выпускного клапана составляет примерно 38% внутреннего диаметра цилиндра. Впускной клапан должен быть больше по размеру, чем выпускной, чтобы пропускать ту же массу газа. Больший по размеру впускной клапан управляет низкоскоростным потоком разреженного газа. В то же время выпускной клапан управляет высокоскоростным потоком сжатого газа. С таким потоком в состоянии справиться клапан меньшего размера. Вследствие этого диаметр головки выпускного клапана составляет примерно 85% диаметра головки впускного клапана. Для нормального функционирования диаметр головки клапана должен составлять приблизительно 115% диаметра клапанного окна. Клапан должен быть достаточно большим, чтобы перекрывать окно. Высота подъема клапана над седлом составляет примерно 25% диаметра головки.
Конструкции клапанов автомобиля
Головки клапанов авто (автомеханики часто называют их тарелками) могут иметь различную конструкцию, они могут быть как жесткими, так и эластичными. Жесткая головка обладает высокой прочностью, сохраняет форму и обладает высокой теплопроводностью. Она также отличается более высокой износоустойчивостью. Эластичная головка, в свою очередь, способна приспосабливаться к форме седла. Поэтому эластичный клапан надежно запечатывает окно, но перегревается, а изгибы при посадке в седло, когда клапан адаптируется к его форме, могут привести к его разрушению. В конструкции клапанов широко используется головка, над лицевой поверхностью которой выступает небольшая шляпка. Такой клапан обладает достаточно небольшим весом, высокой прочностью и теплопередачей, и чуть более высокой ценой. Эластичные головки чаще встречаются у впускных клапанов, а жесткие — у выпускных.
Попадание холодного воздуха на горячие выпускные клапаны сразу после остановки двигателя может привести к серьезным повреждениям клапанов. В двигателях, оснащенных выпускными коллекторными головками и/или прямоточными глушителями, холодному воздуху открыт прямой доступ к выпускным клапанам. Резкое охлаждение может вызвать коробление и/или образование трещин в клапане. В холодную ветреную погоду, когда ветер вдувает холодный наружный воздух прямо в систему выпуска отработавших газов, такие условия — не редкость. Противоточные глушители с длинными выхлопными трубами и каталитическим нейтрализатором отработавших газов снижают опасность возникновения такой ситуации.
Материалы из которых изготавливаются клапаны
Сплавы, материалы из которых изготавливаются выпускные клапаны автомобиля, состоят главным образом из хрома, обеспечивающего высокую жаростойкость, с небольшими добавками никеля, марганца и азотных соединений. Если требуется придать клапану особые характеристики, то он подвергается термообработке. Если конструкция клапана из однородного материала не может обеспечить необходимую прочность и жаростойкость, то его изготавливают сварным — из двух различных материалов. После обработки место соединения частей клапана невозможно различить. Головки клапанов изготавливаются из специальных сплавов, обладающих жаростойкостью, прочностью, коррозионной стойкостью, стойкостью к воздействию окиси свинца и высокой твердостью. Головки привариваются к стержням, изготовленным из материалов, обладающих высокой износостойкостью. В клапанах, предназначенных для работы в особо тяжелых условиях, на рабочую фаску головки и верхушку стержня впускного клапана автомобиля направляются твердосплавные материалы типа стеллита. Стеллит представляет собой сплав никеля, хрома и вольфрама и является немагнитным материалом. В тех случаях, когда необходимо повысить коррозионную стойкость, клапан алитируется. Алитирование рабочей фаски снижает ее износ при использовании неэтилированного бензина. На поверхности клапана формируется пленка окиси алюминия, предотвращающая приваривание стальной фаски клапана к чугунному седлу.
Клапаны с полым стержнем и деформацией седла
В некоторых типах особо мощных двигателей используются выпускные клапаны с полым стержнем, заполненным металлическим натрием. Натрий при нагреве клапана до рабочей температуры расплавляется, превращаясь в жидкость. Этот расплав плещется в канале стержня и отводит тепло от головки клапана в стержень. Далее тепло передается через направляющую втулку клапана и поглощается системой охлаждения. Монолитная конструкция впускного и выпускного клапана при правильном выборе материалов обеспечивает, как правило, хорошие эксплуатационные характеристики автомобильных двигателей.
Клапан прижимается к седлу рабочей фаской, герметично закрывая камеру сгорания. Седло обычно формируется как элемент конструкции в отливке чугунной головки блока цилиндров — такое седло называется встроенным седлом. Седла обычно подвергаются индукционной закалке, чтобы можно было использовать неэтилированный бензин. Это обеспечивает замедление износа седел в процессе эксплуатации двигателя. В процессе износа седла клапан все глубже садится в него — утапливается. В тех случаях, когда коррозионная стойкость и износостойкость должны быть особенно высокими, всегда используются вставные седла. В алюминиевых головках седла и направляющие втулки клапанов — только вставные. Необходимо отметить, что в алюминиевых головках рабочая температура седел выпускных клапанов на 180°Ф (100°С) ниже, чем в чугунных. Вставные седла используются в качестве спасительной меры при восстановлении сильно поврежденных встроенных седел клапанов.
Деформация седла является основной причиной преждевременного выхода из строя клапанов. Деформация седла клапана может быть обратимой — как результат воздействия высокой температуры и давления, или необратимой — как результат действия внутренних механических напряжений. Механическое напряжение — это сила, действующая на тело, которая стремится изменить его форму.
Почему диаметр впускных клапанов больше диаметра выпускных
Если вы разрабатываете головку блока цилиндров для получения максимальной мощности, то не будет никаким сюрпризом, что основной целью является максимальный поток. Это, кроме всего прочего, требует использования клапанов большего размера, которые могут быть физически установлены в камеры сгорания. Это требует решения, как лучше всего разделить имеющееся пространство между впускными и выпускными клапанами. Другими словами, что лучше: большой впускной и маленький выпускной клапан, оба клапана одинакового размера или большой выпускной и маленький впускной клапан? Прежде всего, можно подумать, что большой выпускной клапан — это тот путь, которым нужно идти; ведь отработанные газы, без сомнения, занимают больший объем, чем газы, втянутые в цилиндр через впускную систему. Однако, когда мы касаемся мощности, действует другое «железное» правило: легче опустошить цилиндр, чем наполнить его.
Годы экспериментов показали, что оптимальный размер выпускного клапана должен составлять примерно около 75% от впускного или, если точнее, поток через него должен составлять примерно 75% потока через впускной клапан. Это правило применяется только тогда, когда диаметры комбинируемых клапанов равны общему имеющемуся пространству в камере, т.е. клапаны почти касаются друг друга, как часто бывает в гоночных двигателях. Если используются клапаны с размерами, меньшими, чем максимальные, а мощность не является основной целью, то баланс между потоками впускного и выпускного каналов не так критичен.
Самое простое правило, которому нужно следовать: если основным требованием является мощность, то следуйте нормальному соотношению 0,75:1. Это правило можно изменить в тех случаях, когда двигатель оснащен системой турбонаддува или впрыска закиси азота. Для этих систем требуется обеспечение большего потока выхлопных газов и может успешно использоваться соотношение диаметров выпускного и впускного клапанов, составляющее 0,9:1 (поток выхлопных газов составляет 90% от потока впускаемой смеси) или даже больше.
К сожалению, установка увеличенных выпускных клапанов имеет «ловушку», которая обычно не связана с увеличением размеров впускных клапанов. Водяная рубашка внутри головки блока цилиндров расположена рядом с седлами выпускных клапанов. Это помогает поддерживать клапаны и седла холодными, но часто препятствует установке клапанов максимального размера. Вдобавок, тонкие отливки и большое количество тепла (побочный продукт высокой мощности) могут привести к образованию трещин в седлах, и это обычно укорачивает срок службы головки блока.
Замечание. Когда главной целью конструктора является экономия, а не мощность, размер выпускного клапана может быть увеличен до соотношения 0,75:1 даже при увеличении диаметра впускного клапана. Когда поток выпускного канала увеличивается, то пробег и срок службы двигателя будут улучшены. Однако здесь есть предел, как и во всем. Выпускные клапаны, размер которых превышает 90 — 95% от размера впускного клапана, дают очень маленькую дополнительную топливную экономию, и так как они используют пространство, обычно отдаваемое впускным клапанам, то потенциал по мощности будет уменьшен.
Теги: #Статьи #Корч #Почетные_Корчстроители
Может ли выпускной клапан быть слишком большим? В самом деле, это может быть сделано, если не будут предприняты определенные шаги для разработки других аспектов двигателя в соответствии с размером клапана. Основным отрицательным эффектом больших выпускных клапанов является период перекрытия в конце хода выхлопа, когда выпускной клапан закрывается, и отверстие для впуска. Хотя оба клапана открыты одновременно, могут возникнуть некоторые довольно неприятные вещи. Свежий входной заряд может проскочить прямо к открытому выпускному клапану и спуститься вниз по выхлопному порту, что приведет к высоким уровням выбросов углеводородов и плохому заполнению цилиндра. Также выхлопные газы могут возвращать поток при низкой частоте вращения двигателя и возвращаться в выхлопную трубу и в цилиндр, что приводит к загрязнению свежего входного заряда. Для борьбы с этими эффектами вы можете уменьшить продолжительность кулачка, но это отрицательно скажется на мощности высоких оборотов. В качестве альтернативы вы можете увеличить угол центральной оси кулачка (LCA), чтобы выхлопной кулачок закрывался раньше, а впускное отверстие открывается позже. Это уменьшает «треугольник перекрытия клапана», но опять же может быть не так, как вы хотите, при более высоких оборотах. Из этого можно сделать вывод, что большие выпускные клапаны могут оказать небольшое неблагоприятное воздействие на низконагруженные или стандартные двигатели с короткой длительностью, но постепенно ухудшают воздействие на более высоконадежные двигатели. Фактически это приводит нас к неизбежному выводу, что чем выше мы настраиваем двигатель, тем меньше может понадобиться выпускной клапан. Это летит перед лицом всего, что большинство людей верит в настройку, где больше всегда лучше.
Если вы планируете увеличить мощность двигателя за счет замены впускных и выпускных клапанов, то в первую очередь нужно узнать какой из них должен быть больше.
В этой статье мы расскажем, какой клапан больше впускной или выпускной, чтобы вы в дальнейшем могли знать нужные ли детали стоят в двигателе.
Зачем нужны клапаны
Перед тем как узнать рекомендуемое соотношение клапанов мы расскажем, зачем они вообще нужны. Итак, впускной и выпускной клапан играют важную роль в работе системы сгорания. Впускной клапан подает топливо в камеру сгорания, а выпускной позволяет выходить газам, которые образовались после сгорания топлива.
Какой клапан должен быть больше
Каждый из клапанов важен и на первый взгляд различия в размерах совсем не играют роли, но это ошибка, ведь даже от нескольких миллиметров зависит мощность двигателя. По словам профессиональных исследователей, впускной клапан должен быть больше выпускного, и в соотношении составлять 1:0,75. Такое соотношение объясняется тем, что выпускному клапану куда легче выпустить легкие газы, и поэтому и больший размер необязателен. Соотношение 1:0,9 подходит лишь тем автомобилям, которые используют закись азота или турбо надув, а таких, как правило, можно посчитать по пальцам.
Вывод
Теперь вы знаете, какой клапан больше впускной или выпускной. Также от рекомендуемого соотношения впускного и выпускного клапана зависит экономия топлива. Даже от небольшого увеличения выпускного клапана зависит снижение мощности и увеличения расхода топлива, поэтому отнестись нужно к этому серьезно. Удачи!
Впускной и выпускной клапан двигателя
Выпускной клапан
Выпускной клапан – элемент ГРМ, при открытии которого происходит удаление (выпуск) отработавших газов из камеры сгорания двигателя.
Выпуск газов происходит тогда, когда поршень в цилиндре двигателя направляется от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ). В процессе работы двигателя выпускные клапаны подвергаются значительным термическим нагрузкам, так как постоянно контактируют с раскаленными отработавшими газами. Головка клапана при работе ДВС может разогреваться в пределах 600-800 градусов.
После окончания такта впуска и сжатия главным требованием в момент возгорания топлива в камере сгорания является максимальная герметичность. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Когда поршень принял на себя энергию расширяющихся газов после возгорания топливно-воздушной смеси, из камеры сгорания необходимо удалить эти отработавшие газы. Герметизация камеры на данном этапе уже не нужна. За удаление выхлопных газов в конструкции газораспределительного механизма отвечает выпускной тарельчатый клапан, который размещен в головке блока цилиндров (ГБЦ).
На такте впуска создается разряжение, а на такте выпуска в рабочей камере сгорания двигателя образуется повышенное давление. После сгорания смеси топлива и воздуха отработавшие газы покидают камеру сгорания через открывающийся в нужный момент выпускной клапан. Сила давления позволяет газам с легкостью выйти из рабочей камеры. Этим объясняется меньший размер тарелки выпускного клапана сравнительно с тарелкой впускного клапана. На такте впуска разрежение по своей силе меньше давления на выпуске. Выхлопные газы практически выталкиваются наружу через открытый выпускной клапан.
Эффективная герметизация камеры сгорания стала возможна благодаря использованию тарельчатых клапанов в конструкции ГРМ современных ДВС. Устройство клапана простое, элемент имеет тарелку и стержень. Фаска плавно переходит в стержень, что делает клапан достаточно прочным. Коническая форма перехода заметно снижает сопротивление выхлопных газов при выходе из камеры, а также дополнительно улучшает герметизацию.
Открытие выпускного клапана происходит благодаря полученному усилию от кулачка распределительного вала. Стержень (шток) клапана находится в направляющей втулке клапана, которая запрессована в ГБЦ. Кулачок распредвала нажимает прямо на шток клапана или на рокер, от которого усилие передается на стержень. В ГБЦ также размещено седло клапана. Седло клапана представляет собой углубление, которое по своей форме соответствует верхней части тарелки клапана. Тарелка клапана и седло клапана с филигранной точностью прижимаются друг к другу. Данное решение позволяет обеспечить максимальную герметичность в тот момент, когда закрыты впускной и выпускной клапаны. Главной задачей становится исключить прорыв газов из камеры сгорания.
На верхней части стержня клапана выполнена специальная выточка. Указанная выточка является местом установки «сухаря». Данный «сухарь» представляет собой коническое кольцо, которое разрезано на две равных части. Решение необходимо для крепления тарелки пружины клапана. Если открытие клапана осуществляется за счет «толчка» от кулачка распредвала, то закрытие клапана реализовано посредством усилия пружины клапана. Указанная пружина закрывает клапан, плотно прижимая тарелку к седлу. Дополнительно имеется механизм, который осуществляет проворачивание клапана. Это необходимо для равномерного износа клапана и очистки клапана от нагара.
Выпускной клапан работает в крайне сложных условиях. Отработавшие газы вызывают сильную коррозию выпускных клапанов. Если топливо сгорает в камере не полностью, тогда это может привести к прогару клапана. Регулировка клапанного механизма является важной процедурой в процессе эксплуатации ДВС. Раннее закрытие выпускного клапана может привести к быстрому его прогару.В процессе эксплуатации любого ДВС тарелка клапана и седло покрываются нагаром. Избежать нагара на клапанах практически не представляется возможным. Наличие нагара вызывает постоянный перегрев выпускного клапана. Рано или поздно опорная поверхность клапана начинает выгорать, что приводит к потере герметичности в камере сгорания. Результатом становится прогрессирующая потеря мощности ДВС, затрудненный пуск и т.д.
Появившиеся от перегрева микротрещины на тарелке клапана постепенно увеличиваются, так как раскаленные газы под давлением начинают прорываться наружу из камеры сгорания. Головка клапана в таких условиях деформируется и далее разрушается. Выход клапана из строя фактически означает полную потерю цилиндром двигателя своей функциональности. После замены обязательно требуется притирка клапана к седлу для максимально точного прилегания. Игнорирование процедуры или некачественное выполнение притирки клапанов приведет к быстрому выходу нового клапана из строя.
Вполне очевидно, что перегрев является серьезной проблемой выпускных клапанов. Для изготовления выпускного клапана используется особая хромоникельмолибденовая сталь. Основой является никель, который повышает устойчивость выпускного клапана к механическому разрушению. Сталь для изготовления клапанов отличается высокой жаропрочностью.
Следующим шагом по снижению термонагруженности выпускного клапана становится его конструкция, которая отличается от устройства впускных клапанов.
Стержень выпускного клапана полый, полость заполнена металлическим натрием. Натрий расплавляется и перетекает внутри стержня клапана, что позволяет улучшить теплообмен и равномерно распределить нагрев.
Выпускной клапан также может иметь дополнительную защиту, которая способна значительно продлить срок службы элемента. Единственным недостатком можно считать конечное удорожание производства детали.Среди наиболее распространенных способов защиты отмечены:
- лазерное легирование;
- метод плазменно-порошковой наплавки;
- наплавка токами высокой частоты;
Плазменно-порошковая наплавка считается одним из наиболее экономически и практически оправданных решений. Для такой наплавки используют различные металлические порошки, в основе которых лежит кобальт или никель. Технологии нанесения покрытия разные, но главной задачей каждого из указанных способов становится наплавление тонкого слоя защиты на поверхность клапана для повышения износостойкости, устойчивости к появлению коррозионных процессов и механическому разрушению.
Впускные и выпускные клапаны автомобиля, конструкция и материалы
Впускные и выпускные клапаны автомобильных двигателей имеют тарельчатую форму. Клапан открывается под действием клапанного механизма, управляемого эксцентриковым кулачком. Работа кулачка синхронизирована с положением поршня и периодом вращения коленчатого вала.
В связи с этим они изготавливаются из более стойких материалов, чем впускные клапаны, и соответственно стоят дороже.
Направляющая втулка клапана расположена соосно с седлом клапана, так чтобы между рабочей фаской клапана и седлом обеспечивался герметичный газонепроницаемый контакт. Рабочая фаска клапана и седло скошены под углом 30° или 45°. Это номинальные значения угла фаски. Фактические значения могут на один-два градуса отличаться от номинальных. Клапаны и седла клапанов, используемые в большинстве двигателей, имеют номинальный угол фаски, равный 45°. Клапан прижимается к седлу под действием пружины. Пружина удерживается на стержне клапана (некоторые автомеханики называют его штоком клапана) опорной тарелкой пружины, которая, в свою очередь, контрится на стержне клапана замком (сухариками). Для демонтажа клапана необходимо сжать пружину и снять сухарики. После этого можно снять пружину, манжету, и вынуть клапан из головки.
Всесторонние испытания показали, что между различными геометрическими параметрами клапанов существуют оптимальные соотношения. В двигателях с цилиндрами внутренним диаметром от 3 до 8 дюймов (от 80 до 200 мм) для впускного клапана оптимальным будет диаметр головки, составляющий приблизительно 45% внутреннего диаметра цилиндра. Оптимальный диаметр головки выпускного клапана составляет примерно 38% внутреннего диаметра цилиндра. Впускной клапан должен быть больше по размеру, чем выпускной, чтобы пропускать ту же массу газа. Больший по размеру впускной клапан управляет низкоскоростным потоком разреженного газа. В то же время выпускной клапан управляет высокоскоростным потоком сжатого газа. С таким потоком в состоянии справиться клапан меньшего размера. Вследствие этого диаметр головки выпускного клапана составляет примерно 85% диаметра головки впускного клапана. Для нормального функционирования диаметр головки клапана должен составлять приблизительно 115% диаметра клапанного окна. Клапан должен быть достаточно большим, чтобы перекрывать окно. Высота подъема клапана над седлом составляет примерно 25% диаметра головки.
Конструкции клапанов автомобиля
Головки клапанов авто (автомеханики часто называют их тарелками) могут иметь различную конструкцию, они могут быть как жесткими так и эластичными. Жесткая головка обладает высокой прочностью, сохраняет форму и обладает высокой теплопроводностью. Она также отличается более высокой износоустойчивостью. Эластичная головка, в свою очередь, способна приспосабливаться к форме седла. Поэтому эластичный клапан надежно запечатывает окно, но перегревается, а изгибы при посадке в седло, когда клапан адаптируется к его форме, могут привести к его разрушению. В конструкции клапанов широко используется головка, над лицевой поверхностью которой выступает небольшая шляпка. Такой клапан обладает достаточно небольшим весом, высокой прочностью и теплопередачей и чуть более высокой ценой. Эластичные головки чаще встречаются у впускных клапанов, а жесткие — у выпускных.
Попадание холодного воздуха на горячие выпускные клапаны сразу после остановки двигателя может привести к серьезным повреждениям клапанов. В двигателях оснащенных выпускными коллекторными головками и/или прямоточными глушителями, холодному воздуху открыт прямой доступ к выпускным клапанам. Резкое охлаждение может вызвать коробление и/или образование трещин в клапане. В холодную ветреную погоду, когда ветер вдувает холодный наружный воздух прямо в систему выпуска отработавших газов, такие условия — не редкость. Противоточные глушители с длинными выхлопными трубами и каталитическим нейтрализатором отработавших газов снижают опасность возникновения такой ситуации.
Материалы из которых изготавливаются клапаны
Сплавы, материалы из которых изготавливаются выпускные клапаны автомобиля, состоят главным образом из хрома, обеспечивающего высокую жаростойкость, с небольшими добавками никеля, марганца и азотных соединений. Если требуется придать клапану особые характеристики, то он подвергается термообработке. Если конструкция клапана из однородного материала не может обеспечить необходимую прочность и жаростойкость, то его изготавливают сварным — из двух различных материалов. После обработки место соединения частей клапана невозможно различить. Головки клапанов изготавливаются из специальных сплавов, обладающих жаростойкостью, прочностью, коррозионной стойкостью, стойкостью к воздействию окиси свинца и высокой твердостью. Головки привариваются к стержням, изготовленным из материалов, обладающих высокой износостойкостью. В клапанах, предназначенных для работы в особо тяжелых условиях, на рабочую фаску головки и верхушку стержня впускного клапана автомобиля направляются твердосплавные материалы типа стеллита. Стеллит представляет собой сплав никеля, хрома и вольфрама и является немагнитным материалом. В тех случаях, когда необходимо повысить коррозионную стойкость, клапан алитируется. Алитирование рабочей фаски снижает ее износ при использовании неэтилированного бензина. На поверхности клапана формируется пленка окиси алюминия, предотвращающая приваривание стальной фаски клапана к чугунному седлу.
Клапаны с полым стержнем и деформацией седла
В некоторых типах особо мощных двигателей используются выпускные клапаны с полым стержнем, заполненным металлическим натрием. Натрий при нагреве клапана до рабочей температуры расплавляется, превращаясь в жидкость. Этот расплав плещется в канале стержня и отводит тепло от головки клапана в стержень. Далее тепло передается через направляющую втулку клапана и поглощается системой охлаждения. Монолитная конструкция впускного и выпускного клапана при правильном выборе материалов обеспечивает, как правило, хорошие эксплуатационные характеристики автомобильных двигателей.
Клапан прижимается к седлу рабочей фаской, герметично закрывая камеру сгорания. Седло обычно формируется как элемент конструкции в отливке чугунной головки блока цилиндров — такое седло называется встроенным седлом. Седла обычно подвергаются индукционной закалке, чтобы можно было использовать неэтилированный бензин. Это обеспечивает замедление износа седел в процессе эксплуатации двигателя. В процессе износа седла клапан все глубже садится в него — утапливается. В тех случаях, когда коррозионная стойкость и износостойкость должны быть особенно высокими, всегда используются вставные седла. В алюминиевых головках седла и направляющие втулки клапанов — только вставные. Необходимо отметить, что в алюминиевых головках рабочая температура седел выпускных клапанов на 180°Ф (100°С) ниже, чем в чугунных. Вставные седла используются в качестве спасительной меры при восстановлении сильно поврежденных встроенных седел клапанов.
Деформация седла является основной причиной преждевременного выхода из строя клапанов. Деформация седла клапана может быть обратимой — как результат воздействия высокой температуры и давления, или необратимой — как результат действия внутренних механических напряжений. Механическое напряжение — это сила, действующая на тело, которая стремится изменить его форму.
Какой клапан больше впускной или выпускной ⋆ Прорабофф.рф
Если вы планируете увеличить мощность двигателя за счет замены впускных и выпускных клапанов, то в первую очередь нужно узнать какой из них должен быть больше.
В этой статье мы расскажем, какой клапан больше впускной или выпускной, чтобы вы в дальнейшем могли знать нужные ли детали стоят в двигателе.
Зачем нужны клапаны
Перед тем как узнать рекомендуемое соотношение клапанов мы расскажем, зачем они вообще нужны. Итак, впускной и выпускной клапан играют важную роль в работе системы сгорания. Впускной клапан подает топливо в камеру сгорания, а выпускной позволяет выходить газам, которые образовались после сгорания топлива.
Какой клапан должен быть больше
Каждый из клапанов важен и на первый взгляд различия в размерах совсем не играют роли, но это ошибка, ведь даже от нескольких миллиметров зависит мощность двигателя. По словам профессиональных исследователей, впускной клапан должен быть больше выпускного, и в соотношении составлять 1:0,75. Такое соотношение объясняется тем, что выпускному клапану куда легче выпустить легкие газы, и поэтому и больший размер необязателен. Соотношение 1:0,9 подходит лишь тем автомобилям, которые используют закись азота или турбо надув, а таких, как правило, можно посчитать по пальцам.
Вывод
Теперь вы знаете, какой клапан больше впускной или выпускной. Также от рекомендуемого соотношения впускного и выпускного клапана зависит экономия топлива. Даже от небольшого увеличения выпускного клапана зависит снижение мощности и увеличения расхода топлива, поэтому отнестись нужно к этому серьезно. Удачи!
Впускные и выпускные клапаны
Выпускные клапаны
Впускной клапан малого диаметра — уменьшение количества впускаемого воздуха
Маслоотражательный колпачок
Впускной клапан большого диаметра — увеличение количества впускаемого воздуха
Пружина с переменным шагом навивки
В четырехтактных бензиновых и дизельных двигателях клапаны располагаются в головке цилиндров. Через впускные клапаны проходит только смесь воздуха и топлива, поэтому они подвергаются воздействию более низких температур, чем выпускные клапаны. У впускного клапана тарелку делают большего диаметра, чем у выпускного, так как давление на впуске меньше давления на выпуске. Двигатели разных моделей отличаются количеством клапанов. Двигателям с двумя и более впускными клапанами свойственно лучшее наполнение цилиндров. Дополнительный впускной клапан увеличивает проходное сечение впускных каналов, следовательно, в цилиндр поступает больше топливовоздушной смеси. То же самое касается и выпускных клапанов: два клапана на выпуске позволяют увеличить выпускные каналы, что облегчает выход отработавших газов из цилиндра. Клапан подвергается очень значительным нагрузкам даже при нормальном режиме работы двигателя. Для повышения стойкости клапана к износу, прожиганию и коррозии его поверхность подвергается специальной обработке. Так, например, впускные клапаны изготавливаются из стали с хромом или кремнием для повышения их износостойкости и коррозионной стойкости или магния и никеля для повышения прочности. Выпускные клапаны сделаны из сплавов на основе никеля. Клапан состоит из двух частей: стержня и тарелки. Клапан установлен в отверстии в головке цилиндров. Тарелка плотно прилегает к седлу. В процессе работы головка цилиндров нагревает седло. Часть тепла передается стержню клапана, а от него — направляющей втулке, поэтому стержень является самой холодной частью клапана. Седло клапана и направляющая втулка охлаждаются жидкостью, протекающей по рубашке вокруг впускных каналов. Открываясь и закрываясь, клапан поворачивается на небольшой угол, поэтому каждый раз он садится на новое место.
Маслоотражательный колпачок
Благодаря этому на фаске и седле клапана не оседает нагар. Кроме того, это предотвращает заклинивание клапана в направляющей втулке и равномерно распределяет тепло по всему седлу. Клапан перемещается в направляющей втулке и полностью концентричен седлу. Направляющая втулка представляет собой полую цилиндрическую деталь. Сначала в головке блока цилиндров сверлятся отверстия, а затем в них запрессовываются направляющие втулки. В головку цилиндра из алюминиевого сплава необходимо вставить чугунные направляющие втулки, в противном случае добиться необходимой контактной поверхности для стержня клапана будет невозможно. В большинстве двигателей используются сменные направляющие втулки, запрессованные в отверстия в головке цилиндров. В некоторых двигателях направляющие втулки отлиты в головке цилиндров. Затем в них просверливается отверстие, соответствующее диаметру стержня клапана. В верхней части направляющей втулки имеется маслоотражательный колпачок. Клапанная пружина обеспечивает закрытие клапана и плотное прилегание тарелки к седлу для предотвращения утечек газов. Используются клапанные пружины двух типов: пружины с переменным шагом навивки и двойные пружины.
Газораспределительный механизм
Гидрокомпенсатор зазора в приводе клапана
Открытие впускного клапана
Закрытие впускного клапана
Закрытие выпускного клапана
Открытие выпускного клапана
Зубчатый шкив распределительного вала
OHC — газораспределительный механизм с верхним распределительным валом
DOHC — газораспределительный механизм с двумя верхними распределительными валами
OHV — газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов
CIH — газораспределительный механизм с распределительным валом в головке блока цилиндров
Типы и конструкция
Газораспределительный механизм обеспечивает открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Основными элементами газораспределительного механизма являются распределительный вал, компенсаторы зазоров в приводе клапанов, коромысла и клапаны. В зависимости от числа и расположения распределительных валов различают несколько типов газораспределительных механизмов.
Газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов (OHV)
В двигателе с таким газораспределительным механизмом клапаны расположены в головке цилиндров, а распределительный вал находится в самом блоке рядом с коленчатым валом. Толкатель клапана соприкасается с кулачком распределительного вала. При повороте распределительного вала усилие от кулачка передается толкателю, а от него — штанге. Штанга воздействует на одно плечо коромысла, а другое плечо при этом нажимает на клапан. Существует несколько типов толкателей. Механический толкатель представляет собой полый цилиндр из чугуна, установленный в отверстие картера. Толкатель медленно вращается, благодаря чему равномерно изнашивается под действием кулачка распределительного вала.
В настоящее время применяются газораспределительные механизмы следующих типов: с одним верхним распределительным валом (OHC), с двумя верхними распределительными валами (DOHC), с распределительным валом в головке блока цилиндров (CIH).
Как работают клапана двигателя
2848 ПросмотровДля работы автомобиля используется два клапана. Первый, впускающий топливную смесь в цилиндр, – это впускной клапан; другой, который выпускает переработанный воздух из мотора, – это выпускной клапан. Важно, чтобы эти два устройства были открыты и закрыты в нужное время, неважно на каком уровне движения авто, тогда можно говорить об эффективности мотора.
ДВС состоит из распредвала и коленвала, а также поршневой системы. Распределительный вал вращается благодаря цепям, ремням или нескольким шестеренкам (в зависимости от типа ГРМ). Именно эти соединения служат для синхронной работы всего механизма клапанов.
Верхнее положение вала
В зависимости от конструкции силового агрегата, вал может быть расположен, либо вверху над блоком, либо внутри него. Рассмотрим сначала первый случай.
Благодаря верхнему положению вала другие детали взаимосвязаны с цилиндрами или толкателями.
Принцип работы следующий: то, что толкает, касается детали, которая в это время передает энергию детали, а ей удается опереться о ножку клапана, он держится при помощи пружинки, отличающейся силой, приподнятым, то есть он закрыт.
В описанной системе, распредвал, находящийся в двигателе наверху, работает благодаря приводу, имеющему зубчатые зацепы. Также видно, что кулачки и устройство толкателей, находящихся прямо над двумя затворами, связаны между собой.
Давление толкателя, оказываемое на кулачок, побуждает деталь, на которой держится клапан, ослабить пружинку. Далее, когда вал вращается, пружина делает ход и становится на свое место, тогда происходит закрытие клапана.
Именно эта конструкция позволяет работать двигателю, который оснащен верхним расположением клапанного механизма.
Двигатель, имеющий один вал распределителя
Существуют двигатели внутреннего сгорания, не имеющих толкатели, поэтому для открытия и закрытия затворов используется распределительный вал в виде одинарного типа. Называется эта конструкция – однораспредвальный двигатель. Там детали клапана помещаются в головке. Конструкция имеет мало подвижных частей, именно это способствует ее надежности, позволяя действовать даже тогда, когда скорость автомобиля на пределе. При этом материал, из которого изготавливаются запчасти – металл (специальный сплав).
Для более эффективной работы мотора между элементами должно быть свободное пространство – зазор. Если зазоры между затворной ножкой, кулачком или коромыслом отсутствуют, тогда система будет работать на износ, вызвав серьезные повреждения.
Также стоит отметить, что излишние зазоры приведут к тому, что клапан совершит открытие раньше времени, а закрытие позже. Таким образом, сила ДВС будет снижена, а под высоким давлением затворов ход будет осуществляться шумнее.
Если же зазор будет мал, то и давление станет меньше, это приведет к тому, что ход затвора станет весьма затруднительным, тем самым автомобиль будет терять мощность.
Есть такие двигатели внутреннего сгорания, которые работают автоматически, сами подстраивая затворы под нужное действие. Для этого нужно обильное количество смазочной жидкости, ведь именно под ее давлением будет работать система клапанов.
Вал вместе с толкателями внутри блока
При таком положении конструкции клапанов, то есть когда она располагается внутри системы цилиндров, толкающее устройство может оказывать воздействие на деталь, непосредственно касающуюся клапана, которая его открывает. Это считается более выгодным положением, чем предыдущее, которое было рассмотрено выше. Ведь, используя много подвижных частиц, ход автомобиля уменьшается на порядок. В результате чего, впускной клапан и выпускной клапан имеют меньшее давление, что снижает на порядок мощность двигателя внутреннего сгорания.
Сравнивая дальше, можно увидеть, что ДВС, который содержит вал вверху, а также штанги распределительного вала, которые располагаются в головке цилиндра, имеет больший ход. Когда вал вращается, то затвор может открыться или закрыться под давлением хода вала. Служит для открывания и закрывания клапанов толкающее устройство, а также коромысло вместе со штангой. Благодаря пружине клапан держится в закрытом положении.
То, сколько зубчиков на звезде, которая расположена в цепи ведущего вала, определяет мощность давления кулачка на деталь, касающуюся клапана, которое способствует открыванию затворов. При этом зубчиков на шестеренке распредвала меньше раза в два, это приводит к тому, что вал вращается с несколько меньшей скоростью, чем сам двигатель внутреннего сгорания.
ДВС с одним валом
Есть такие модели ДВС, способствующие прямому воздействию кулачков на рычаги, они обычно выполняются небольшими, и их еще называют пальцами. В таком двигателе внутреннего сгорания материал затворов тщательно продуман. В нем не так много составляющих, играющих роль в открывании и закрывании заслонок. Так в частности, ход автомобиля полностью зависит от кулачков, воздействующих сразу на короткие детали, открывающие или закрывающие клапаны.
Как видим, в такой системе мало сложностей с точки зрения техники, к тому же в такой конструкции малый вес. В ней совершенно нет штанг, которые выступают как толкатель и коромысло, которое на это провоцирует толкающее устройство, оказывая на него давление.
Материал цепи, которая способствует правильному расположению вала на звезде, влияет на то, что она часто виснет.
Стержнем решения такой проблемы будет необходимость добавить несколько небольших звезд, а также натяжения короткой цепи. Еще применяют ремешки, которые являются нерастягиваемыми, их материал – это резина. Внутри каждого такого маслоупорного ремня есть звездочки, которые способствуют вращению распределительного и коленчатого вала.
Устройство клапанного механизма
Как мы уже поняли, двигатель внутреннего сгорания способствует тому, что клапаны в цилиндры ДВС впускают горючую смесь, если это бензиновое топливо, или воздух, если это дизельное топливо, а также выпускают их наружу. Поэтому есть два клапана, каждый из которых может открыться или закрыться в свое время под давлением кулачков.
Давление, оказываемое на стержни во время касания его кулачком в двигателе, имеющем сгорание горючей смеси или воздуха, смешанного с дизелем, способствует тому, что стержень, удерживающий клапан, выполненный из качественного материала, имеет хороший ход.
То, что ход идет ровно у конструкции с клапанами, говорит о правильном материале, из которого выполнена конструкция.
Наличие необходимых зазоров в металлическом материале детали стержня, на котором держится вся конструкция, способствует быстрому открыванию и закрыванию затворов. Выходит, что благодаря качественному материалу осуществляется лучшая работа мотора.
Современные детали мотора имеют правильный материал, который способствует простоте в конструкции, стоят они мало, ремонт требуется редко, а надежность конструкции на высшем уровне. Если же случается поломка, детали следует ремонтировать, либо полностью менять. Речь идет о распределительном вале, втулках направляющих, толкателе и пружине.
Еще поговорим напоследок о том, как размещаются затворы:
- Распределительный вал может находиться внизу относительно штанги клапана.
- Наличие у стержня рычажного толкателя.
- Распределительный вал находится вверху, а клапаны приводятся в движение благодаря коромыслу, воздействующему на толкатель.
- Затвор находится в верхней части двигателя, и вал оказывает на него воздействия сразу через толкатель, то есть без коромысла.
Теперь можно подвести итоги того, как работает механизм с клапанами. Кулачок способствует передаче усилия толкателю, который в свою очередь благодаря небольшому зазору оказывает влияние на клапан, который либо открывается, либо закрывается. После того, как масло было вобрано в полость затвора, который потом впрыскивает его в цилиндр, затвор закрывается. В итоге масло при очередном такте уходит, поэтому следует снова его вобрать в себя, это уже происходит на следующем такте.
Выпускной клапан двигателя — Движок Мастер
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.
Для более эффективной работы мотора между элементами должно быть свободное пространство – зазор. Если зазоры между затворной ножкой, кулачком или коромыслом отсутствуют, тогда система будет работать на износ, вызвав серьезные повреждения.
Также стоит отметить, что излишние зазоры приведут к тому, что клапан совершит открытие раньше времени, а закрытие позже. Таким образом, сила ДВС будет снижена, а под высоким давлением затворов ход будет осуществляться шумнее.
Если же зазор будет мал, то и давление станет меньше, это приведет к тому, что ход затвора станет весьма затруднительным, тем самым автомобиль будет терять мощность.
Есть такие двигатели внутреннего сгорания, которые работают автоматически, сами подстраивая затворы под нужное действие. Для этого нужно обильное количество смазочной жидкости, ведь именно под ее давлением будет работать система клапанов.
Вал вместе с толкателями внутри блока
При таком положении конструкции клапанов, то есть когда она располагается внутри системы цилиндров, толкающее устройство может оказывать воздействие на деталь, непосредственно касающуюся клапана, которая его открывает. Это считается более выгодным положением, чем предыдущее, которое было рассмотрено выше. Ведь, используя много подвижных частиц, ход автомобиля уменьшается на порядок. В результате чего, впускной клапан и выпускной клапан имеют меньшее давление, что снижает на порядок мощность двигателя внутреннего сгорания.
Сравнивая дальше, можно увидеть, что ДВС, который содержит вал вверху, а также штанги распределительного вала, которые располагаются в головке цилиндра, имеет больший ход. Когда вал вращается, то затвор может открыться или закрыться под давлением хода вала. Служит для открывания и закрывания клапанов толкающее устройство, а также коромысло вместе со штангой. Благодаря пружине клапан держится в закрытом положении.
То, сколько зубчиков на звезде, которая расположена в цепи ведущего вала, определяет мощность давления кулачка на деталь, касающуюся клапана, которое способствует открыванию затворов. При этом зубчиков на шестеренке распредвала меньше раза в два, это приводит к тому, что вал вращается с несколько меньшей скоростью, чем сам двигатель внутреннего сгорания.
ДВС с одним валом
Есть такие модели ДВС, способствующие прямому воздействию кулачков на рычаги, они обычно выполняются небольшими, и их еще называют пальцами. В таком двигателе внутреннего сгорания материал затворов тщательно продуман. В нем не так много составляющих, играющих роль в открывании и закрывании заслонок. Так в частности, ход автомобиля полностью зависит от кулачков, воздействующих сразу на короткие детали, открывающие или закрывающие клапаны.
Как видим, в такой системе мало сложностей с точки зрения техники, к тому же в такой конструкции малый вес. В ней совершенно нет штанг, которые выступают как толкатель и коромысло, которое на это провоцирует толкающее устройство, оказывая на него давление.
Материал цепи, которая способствует правильному расположению вала на звезде, влияет на то, что она часто виснет.
Стержнем решения такой проблемы будет необходимость добавить несколько небольших звезд, а также натяжения короткой цепи. Еще применяют ремешки, которые являются нерастягиваемыми, их материал – это резина. Внутри каждого такого маслоупорного ремня есть звездочки, которые способствуют вращению распределительного и коленчатого вала.
Устройство клапанного механизма
Как мы уже поняли, двигатель внутреннего сгорания способствует тому, что клапаны в цилиндры ДВС впускают горючую смесь, если это бензиновое топливо, или воздух, если это дизельное топливо, а также выпускают их наружу. Поэтому есть два клапана, каждый из которых может открыться или закрыться в свое время под давлением кулачков.
Давление, оказываемое на стержни во время касания его кулачком в двигателе, имеющем сгорание горючей смеси или воздуха, смешанного с дизелем, способствует тому, что стержень, удерживающий клапан, выполненный из качественного материала, имеет хороший ход.
То, что ход идет ровно у конструкции с клапанами, говорит о правильном материале, из которого выполнена конструкция.
Наличие необходимых зазоров в металлическом материале детали стержня, на котором держится вся конструкция, способствует быстрому открыванию и закрыванию затворов. Выходит, что благодаря качественному материалу осуществляется лучшая работа мотора.
Современные детали мотора имеют правильный материал, который способствует простоте в конструкции, стоят они мало, ремонт требуется редко, а надежность конструкции на высшем уровне. Если же случается поломка, детали следует ремонтировать, либо полностью менять. Речь идет о распределительном вале, втулках направляющих, толкателе и пружине.
Еще поговорим напоследок о том, как размещаются затворы:
- Распределительный вал может находиться внизу относительно штанги клапана.
- Наличие у стержня рычажного толкателя.
- Распределительный вал находится вверху, а клапаны приводятся в движение благодаря коромыслу, воздействующему на толкатель.
- Затвор находится в верхней части двигателя, и вал оказывает на него воздействия сразу через толкатель, то есть без коромысла.
Теперь можно подвести итоги того, как работает механизм с клапанами. Кулачок способствует передаче усилия толкателю, который в свою очередь благодаря небольшому зазору оказывает влияние на клапан, который либо открывается, либо закрывается. После того, как масло было вобрано в полость затвора, который потом впрыскивает его в цилиндр, затвор закрывается. В итоге масло при очередном такте уходит, поэтому следует снова его вобрать в себя, это уже происходит на следующем такте.
Выпускной клапан двигателя — Движок Мастер
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.
Источник:
Справочная и техническая информация о деталях двигателей
Справочная и техническая информация о деталях двигателейразвернутьсвернуть
Мощность двигателя, при прочих равных условиях, прямо пропорциональна количеству горючей смеси или воздуха и топлива, поступающего в его цилиндры через впускные клапаны и качества очищения цилиндра от отработанных газов через выпускные клапаны. Для улучшения наполнения двигателя диаметр впускного клапана выполняется обычно большим, чем выпускного. Так как при выпуске скорость потока отработанной смеси выше, чем свежей впускной, за счет выталкивания отработанных газов поршнем на такте выпуска. При много клапанной системе, например у двигателя AUDI ADR, диаметр выпускной тарелки клапана больше чем у впускных, но устанавливается 3 впускных клапана и 2 выпускных, таким образом, общая площадь впускных клапанов все равно больше. Уменьшение диаметра выпускных клапанов позволяет снизить их температуру и уменьшить величину движущихся масс, приходящихся на один клапан.
Таким образом, величина впускного отверстия определяется диаметром впускного клапана. Диаметр впускного клапана ограничивается возможностями размещения его в головке блока, а высота подъема клапана – силами инерции клапанного механизма, которые не должны быть излишне большими во избежание установки слишком сильных клапанных пружин и вызванного этим слишком большого износа кулачков.
Основными элементами клапана являются головка (тарелка) и стержень (шток). С целью уменьшения гидравлических потерь на впуске и выпуске переход от головки клапана к стержню делается, возможно, более плавным.
Клапаны, особенно выпускные, работают высокой тепловой напряженности, температура тарелки впускного клапана достигает при полной нагрузке двигателя 350-500ºС, а выпускного 700-900ºС. Столь высокая тепловая напряженность выпускных клапанов обусловливается главным образом их очень сильным нагревом во время процесса выпуска.
Клапаны подвергаются так же коррозирующему действию газов. Материал клапанов вследствие этого должен обладать стойкостью против коррозии и хорошо сопротивляться износу, поскольку условия смазки клапана не удовлетворительны.
Для повышения износостойкости и продления срока службы клапаны проходят дополнительную обработку, путем наваривания специального сплава (стеллита) на рабочую фаску клапана. Для улучшения антифрикционных свойств и повышения износостойкости стержня клапана его часто азотируют или хромируют.
Выпускные клапаны форсированных двигателей иногда выполняют полыми. Заполняющее на 50-60% полость клапана легкоплавкое вещество (натрий или специальные соли) во время работы двигателя плавится и энергично взбалтывается, что обеспечивает лучший отвод тепла от головки к стержню клапана и тем самым устраняет его перегрев.
Таким образом можно понизить температуру тарелки клапана на 80 –150 °C. Для уменьшения массы, в современном моторостроении находят применение полые, незаполненные впускные клапаны. Полые выпускные клапаны применяются преимущественно с целью понижения температуры в особо опасной области галтели (закруглённого перехода).
Впускные и выпускные клапаны разделяются на :
- Цельнометаллический (монометаллический) клапан. Эти клапаны производятся только из одного материала. При этом выбирается такой материал, который подходит к предъявляемым требованиям, это высокая теплостойкость и антифрикционные свойства.
- Биметаллический клапан. Биметаллические клапаны это соединение двух металлов: материала тарелки клапана с высокой теплостойкостью и материала штока клапана, который закалён со стороны конца стержня клапана, и при этом обладающего высокими антифрикционными свойствами для скольжения внутри направляющей втулки клапана. Соединение этих двух материалов выполняется при помощи сварки трением.
| Клапан с наполнителем | Биметаллический клапан |
Источник:
Впускные и выпускные клапаны автомобиля, конструкция и материалы
Впускные и выпускные клапаны автомобильных двигателей имеют тарельчатую форму. Клапан открывается под действием клапанного механизма, управляемого эксцентриковым кулачком. Работа кулачка синхронизирована с положением поршня и периодом вращения коленчатого вала.
В связи с этим они изготавливаются из более стойких материалов, чем впускные клапаны, и соответственно стоят дороже.
Направляющая втулка клапана расположена соосно с седлом клапана, так чтобы между рабочей фаской клапана и седлом обеспечивался герметичный газонепроницаемый контакт. Рабочая фаска клапана и седло скошены под углом 30° или 45°. Это номинальные значения угла фаски.
Фактические значения могут на один-два градуса отличаться от номинальных. Клапаны и седла клапанов, используемые в большинстве двигателей, имеют номинальный угол фаски, равный 45°. Клапан прижимается к седлу под действием пружины.
Пружина удерживается на стержне клапана (некоторые автомеханики называют его штоком клапана) опорной тарелкой пружины, которая, в свою очередь, контрится на стержне клапана замком (сухариками). Для демонтажа клапана необходимо сжать пружину и снять сухарики.
После этого можно снять пружину, манжету, и вынуть клапан из головки.
Всесторонние испытания показали, что между различными геометрическими параметрами клапанов существуют оптимальные соотношения. В двигателях с цилиндрами внутренним диаметром от 3 до 8 дюймов (от 80 до 200 мм) для впускного клапана оптимальным будет диаметр головки, составляющий приблизительно 45% внутреннего диаметра цилиндра.
Оптимальный диаметр головки выпускного клапана составляет примерно 38% внутреннего диаметра цилиндра. Впускной клапан должен быть больше по размеру, чем выпускной, чтобы пропускать ту же массу газа. Больший по размеру впускной клапан управляет низкоскоростным потоком разреженного газа. В то же время выпускной клапан управляет высокоскоростным потоком сжатого газа.
С таким потоком в состоянии справиться клапан меньшего размера. Вследствие этого диаметр головки выпускного клапана составляет примерно 85% диаметра головки впускного клапана. Для нормального функционирования диаметр головки клапана должен составлять приблизительно 115% диаметра клапанного окна. Клапан должен быть достаточно большим, чтобы перекрывать окно.
Высота подъема клапана над седлом составляет примерно 25% диаметра головки.
Конструкции клапанов автомобиля
Головки клапанов авто (автомеханики часто называют их тарелками) могут иметь различную конструкцию, они могут быть как жесткими так и эластичными. Жесткая головка обладает высокой прочностью, сохраняет форму и обладает высокой теплопроводностью.
Она также отличается более высокой износоустойчивостью. Эластичная головка, в свою очередь, способна приспосабливаться к форме седла.
Поэтому эластичный клапан надежно запечатывает окно, но перегревается, а изгибы при посадке в седло, когда клапан адаптируется к его форме, могут привести к его разрушению. В конструкции клапанов широко используется головка, над лицевой поверхностью которой выступает небольшая шляпка.
Такой клапан обладает достаточно небольшим весом, высокой прочностью и теплопередачей и чуть более высокой ценой. Эластичные головки чаще встречаются у впускных клапанов, а жесткие — у выпускных.
Попадание холодного воздуха на горячие выпускные клапаны сразу после остановки двигателя может привести к серьезным повреждениям клапанов. В двигателях оснащенных выпускными коллекторными головками и/или прямоточными глушителями, холодному воздуху открыт прямой доступ к выпускным клапанам.
Резкое охлаждение может вызвать коробление и/или образование трещин в клапане. В холодную ветреную погоду, когда ветер вдувает холодный наружный воздух прямо в систему выпуска отработавших газов, такие условия — не редкость.
Противоточные глушители с длинными выхлопными трубами и каталитическим нейтрализатором отработавших газов снижают опасность возникновения такой ситуации.
Материалы из которых изготавливаются клапаны
Сплавы, материалы из которых изготавливаются выпускные клапаны автомобиля, состоят главным образом из хрома, обеспечивающего высокую жаростойкость, с небольшими добавками никеля, марганца и азотных соединений. Если требуется придать клапану особые характеристики, то он подвергается термообработке.
Если конструкция клапана из однородного материала не может обеспечить необходимую прочность и жаростойкость, то его изготавливают сварным — из двух различных материалов. После обработки место соединения частей клапана невозможно различить.
Головки клапанов изготавливаются из специальных сплавов, обладающих жаростойкостью, прочностью, коррозионной стойкостью, стойкостью к воздействию окиси свинца и высокой твердостью. Головки привариваются к стержням, изготовленным из материалов, обладающих высокой износостойкостью.
В клапанах, предназначенных для работы в особо тяжелых условиях, на рабочую фаску головки и верхушку стержня впускного клапана автомобиля направляются твердосплавные материалы типа стеллита. Стеллит представляет собой сплав никеля, хрома и вольфрама и является немагнитным материалом.
В тех случаях, когда необходимо повысить коррозионную стойкость, клапан алитируется. Алитирование рабочей фаски снижает ее износ при использовании неэтилированного бензина. На поверхности клапана формируется пленка окиси алюминия, предотвращающая приваривание стальной фаски клапана к чугунному седлу.
Клапаны с полым стержнем и деформацией седла
В некоторых типах особо мощных двигателей используются выпускные клапаны с полым стержнем, заполненным металлическим натрием. Натрий при нагреве клапана до рабочей температуры расплавляется, превращаясь в жидкость.
Этот расплав плещется в канале стержня и отводит тепло от головки клапана в стержень. Далее тепло передается через направляющую втулку клапана и поглощается системой охлаждения.
Монолитная конструкция впускного и выпускного клапана при правильном выборе материалов обеспечивает, как правило, хорошие эксплуатационные характеристики автомобильных двигателей.
Клапан прижимается к седлу рабочей фаской, герметично закрывая камеру сгорания. Седло обычно формируется как элемент конструкции в отливке чугунной головки блока цилиндров — такое седло называется встроенным седлом.
Седла обычно подвергаются индукционной закалке, чтобы можно было использовать неэтилированный бензин. Это обеспечивает замедление износа седел в процессе эксплуатации двигателя. В процессе износа седла клапан все глубже садится в него — утапливается.
В тех случаях, когда коррозионная стойкость и износостойкость должны быть особенно высокими, всегда используются вставные седла. В алюминиевых головках седла и направляющие втулки клапанов — только вставные.
Необходимо отметить, что в алюминиевых головках рабочая температура седел выпускных клапанов на 180°Ф (100°С) ниже, чем в чугунных. Вставные седла используются в качестве спасительной меры при восстановлении сильно поврежденных встроенных седел клапанов.
Деформация седла является основной причиной преждевременного выхода из строя клапанов. Деформация седла клапана может быть обратимой — как результат воздействия высокой температуры и давления, или необратимой — как результат действия внутренних механических напряжений. Механическое напряжение — это сила, действующая на тело, которая стремится изменить его форму.
Источник:
Клапан впускной и клапан выпускной двигателя СМД
Впускные клапаны двигателей СМД-14 (деталь № СМД14-0604, рис. 61,а) и двигателей СМД-7 (деталь № СМД 1-0604, рис. 61,б) изготавливают из стали 40ХН; твердость тарелки клапана и стержня НВ 269?311.
Торец клапана подвергают закалке и отпуску до твердости не менее НRС 40 на глубину не более 4 мм с постепенным снижением твердости закаленного слоя до твердости остальной части стержня.
Выпускные клапаны двигателей СМД-14 (деталь № СМД14-0607, рис. 62,а) и двигателей СМД-7 (деталь № СМД7-0607, рис. 62,б) работают в условиях высоких температур и корродирующего действия горячих газов, поэтому их изготовляют сварными: тарелку — из жаростойкой стали Х9С2, а стержень — из стали 40ХН.
Твердость термически обработанного клапана НВ 269—311.
Дефекты, при которых клапаны подлежат восстановлению:
1. износ рабочей фаски. Высота цилиндрической кромки должна быть не менее 0,5 мм;
2. износ торца стержня до длины не менее 156,5 мм;
3. износ поверхности стержня до диаметра не менее 10,69 мм у впускного и 10,64 у выпускного;
4. изгиб стержня не более 0,05 мм на длице 100 мм;
5. износ поверхности выточки под сухарики.
Клапаны двигателей СМД выбраковывают при:
1) диаметре стержня клапана менее 10,69 мм у впускного и 10,64 мм у выпускного клапанов;
2) высоте цилиндрического пояска тарелки менее 0,5 мм;
3) подгорании тарелок клапанов;
4) изгибе стержня более 0,05 мм;
5) наличии усталостных трещин.
Восстановление рабочей фаски клапана
Восстановление рабочей фаски клапана производят шлифованием поверхности фаски до выведения следов износа на станке ОПР-723 (СШК-3) шлифовальным кругом ПВ 100?25?20, ЭБ-25-40 С1-С2К.
Коническая поверхность фаски должна быть чистой, без задиров, черновин, рисок и граненности.
Биение фаски относительно образующей стержня не должно превышать 0,05 мм, что проверяется на специальном приспособлении при помощи индикатора часового типа пределом измерения 0—10 мм.
Восстановление торца стержня клапана
Восстановление торца стержня клапана производят шлифованием поверхности торца до выведения следов износа на станке ОПР-723 (СШК-3). Шлифование ведут с обильным охлаждением содовым раствором, чтобы не допустить отпуска закаленной части торца стержня. После шлифования на торце снимают фаску 1 ±0,5?45°.
Чистота поверхности торца стержня должна соответствовать 8-ну классу. Наличие рисок и следов износа не допускается. Плоскость торца стержня клапана должна быть перпендикулярна к образующей стержня. Допускается односторонний просвет на торце до 0,05 мм по лекальному плоскому угольнику 160 ? 160 мм.
Биение торца стержня относительно цилиндрической поверхности стержня допускается не более 0,05 мм на крайних точках.
Восстановление поверхности стержня клапана
Восстановление поверхности стержня клапанапроизводят шлифованием поверхности стержня на бесцентрово-шлифовальном станке 3184 до ремонтного размера при наличии направляющей втулки клапана ремонтного размера.
Для стержня впускного клапана ремонтный размер диаметра составляет 10,8-0,030 -0,055мм, для выпускного 10,8-0,060 -0,085 мм.
Если направляющих втулок ремонтного размера нет, поверхность стержня клапана восстанавливают хромированием или железнением.
Хромировать поверхность стержня клапана целесообразно до диаметра 11,1 мм в ванне с электролитом следующего состава:
Электролитическое осталивание рекомендуется производить до диаметра 11,15 мм в ванне с электролитом следующего состава:
Примечание. При осталивании плотность тока увеличивают до номинальной в течении 10 минут. Поверхность деталей должна быть гладкой, серовато-матового оттенка с ясно выраженной сеткой трещин, без вздутий и признаков отслоений.
После электролитического наращивания поверхности стержня поверхность шлифуют до нормального размера (см. рис. 61, 62). Отклонение поверхности стержня от прямолинейности после шлифования должно быть не более 0,015 мм на длине 100 мм.
Восстановление прямолинейности стержня
Восстановление прямолинейности стержня в случае его изгиба рихтовкой не дает положительных результатов. Небольшой изгиб стержня устраняют шлифованием под ремонтный размер или под электролитическое наращивание. Если изгиб стержня клапана устранить указанным методом невозможно, клапан выбраковывают.
Восстановление выточек под сухарики
Восстановление выточек под сухарики производят зачисткой и полировкой изношенной поверхности.
В клапанах двигателя СМД-14 необходимо, чтобы кромки выточки были острыми. Поверхность выточки должна быть чистой, гладкой, без повреждений.
Источник:
Клапаны и их приводы в судовых двигателях
Во всех двигателях впускные и выпускные клапаны открываются внутрь цилиндра. Давлением тарелки клапанов прижимаются к седлам, в результате плотность посадки их повышается
Читайте также: Что такое инжектор: особенности и отличия от карбюратораКлапаны (рис 81, а) состоят из штока 3 и тарелки 10, выполняемых обычно заодно на тарелке снята коническая рабочая фаска 1 под углом а, равным 90—120° Благодаря фаске 1 тарелка 10 плотно сидит в седле, проточенном в крышке 2 цилиндра Рекомендуется принимать угол а фаски 1 на 1—2о бопьше угла посадочной поверхности седла. Фаску и седло взаимно притирают с помощью приспособления, для которого предусмотрены углубления а или шлиц.
Шток 3 клапана движется в чугунной, бронзовой или стальной сменной втулке 4, смазываемой маслом, подводимым от узлов привода открытия клапана или вручную. Втулка 4 вставлена в крышку 2.
Клапан прижат к седлу пружиной 5, упирающейся нижним концом в крышку 2, а верхним — в тарелку 6, закрепленную в верхней части штока 3 клапана.
Когда клапан закрыт, пружина удерживает его в седле, несмотря на разрежение в цилиндре при всасывании (выпускной клапан) В момент окончания подъема клапана пружина препятствует его дальнейшему движению под действием сил инерции. Отрыв толкателя от кулачковой шайбы исключен.
Клапанные пружины изготавливают из высокоуглеродистых марганцовистых, кремнемарганцовистых и хромоникелеванадиевых сталей 60Г, 65Г, 50ХФА и др.
Тарелка 6 закреплена, как правило, двумя коническими полукольцами («сухарями») 8 и 9. Их надевают на шейку клапана при опушенной тарелке 6 Снаружи у полуколец предусмотрена коническая поверхность, а у тарелки 6 — коническая расточка. Поэтому после того, как полукольца 8 и 9 будут надеты, тарелка 6 под действием пружины 5 упрется в полукольцо, прижав их к шейке штока.
Клапаны открывает рычаг привода, действующий на торец штока. Чтобы торец не изнашивался, в него вставляют или на него надевают закаленный наконечник 7, а иногда наплавляют на него износостойкий слой металла или закаливают торцовую поверхность, причем иногда предварительно приваривают стальную пластину.
Седла клапанов могут быть вставными (рис. 81,б). Седло 11, изготовленное из специального чугуна, стали или бронзы, вставляют в крышку и фиксируют.
В клапане на рис. 81,6 предусмотрены внешняя 15 и внутренняя 14 пружины с разным направлением витков.
При двух пружинах легче обеспечить необходимые усилия пружин на закрытый и открытый клапан при данной высоте его подъема Кроме того, при поломке одной из пружин другая удерживает клапан в седле Работа клапана с нормальной частотой вращения при одной сломанной пружине невозможна, но по крайней мере исключена опасность выпадания его в цилиндр.
Рис. 81 Типы каланов рабочих цилиндров
Клапан на рис. 81, а типичен для штангового привода, когда его открывает рычаг. Есть двигатели, у которых кулачковые шайбы распределительных валов действуют непосредственно на клапаны. У таких двигателей в конструкции клапана (рис.
81,6) предусмотрена упорная тарелка 17 большого диаметра, на которую сверху действует кулачковая шайба. Тарелка 17 ввернута во внутрь штока 12 клапана. Под упорной тарелкой 17 помещена замковая тарелка 16. На тарелке 17 снизу, а тарелке 16 сверху выполнены радиальные шлицы.
Кроме того, тарелка 16 надета на осевые шлицы штока 12 клапана. Пружины 14 и 15 прижимают замковую тарелку 16 к упорной тарелке 17, предотвращая ее проворачивание, т. е. вывертывание из штока 12.
В клапане предусмотрены направляющая втулка 13 и вставное седло 11, которое в данном случае применено потому, что головка цилиндра изготовлена из алюминиевого сплава.
У крупных двигателей и у двигателей с высокими тепловыми напряжениями в конструкции клапанов предусмотрен корпус. Иногда корпус предусматривают лишь у выпускных клапанов, как, например, в двигателях НФД48-2АУ (рис. 81, в).
Шток клапана 24, снабженный защитным отражателем газа 23, пружины 18, тарелку 19, седло 22 собирают в один узел с корпусом 25.
Затем клапан в сборе вставляют в гнездо крышки 21 цилиндра и корпус крепят в крышке. Корпус выпускного клапана делают охлаждаемым.
При данной конструкции клапана вода поступает внутрь корпуса 25 из крышки 21 через регулировочный кран 26, а через фланец 20 — в сборную магистраль.
Впускные и выпускные клапаны выполняют обычно одинаковыми по конструкции и размерам. Иногда диаметр тарелки впускного клапана делают больше, чем у выпускного, чтобы уменьшить сопротивление впуску свежего заряда воздуха. Клапаны чаше всего изготовляют из разного материала.
Впускные клапаны должны быть изготовлены. из стали 20ХН4ФА, 4Х9С2, 4Х10С2М, а выпускные — из стали 4Х10С2М, 4Х14НВ2М или других, обеспечивающих стойкость клапнов. Допускаются сварные клапаны тарелка из жаропрочной стали, а стержень из конструкционной.
Фаску тарелок рекомендуется наплавлять коррозионно- жаро- и износостойкими сплавами или материалами. Наружную поверхность стержней хромируют, азотируют, закаливают ТВЧ или упрочняют накаткой.
При работе дизеля на тяжелых топливах повышать коррозионную стойкость клапана становится необходимо.
Чтобы различить впускной и выпускной клапаны, если у них одинаквые диаметры, но изготовлены из разных материалов, на нижнем торце тарелки выбивают клейма: «Вп», «Вс» для впускного и «Вх», «Вых» для выпускного. На двигателях, изготовленных в ГДР, клейма бывают соответственно «Е» (einlas — впуск) и «А» (auslas — выпуск).
Типы клапанных приводов. Как было описано выше, клапаны открывает либо особый механизм, называемый клапанным приводом, либо кулачкой вая шайба распределительного вала непосредственно воздействуя на клапан.
У большинства судовых двигателей клапаны открываются с помощью привода от распределительного вала, расположенного на уровне верхней части картерного пространства (нижнее расположение). Чаще всего распредели тельный вал 20 (см. рис.
216) расположен внутри картерного пространства вследствие чего обеспечивается хоршее смазывание кулачковых шайб масляной пылью, но усложнен доступ ним. У некоторых типов двигателей распределительный вал 16 (см рис. 217) помещен в специальной городке блок-картера или блока цилиндров.
В этом случае облегчен доступ к кулачковым шайбам для осмотра и регулировки, но необходима система подвода масла к узлам привода.
Способ открытия клапанов кулачковыми шайбами (верхнее надклапанное расположение распределительного вала) принят в быстроходных двигателях При этом предусматривают два распределительных вала 14 и 15 (см.
рис 221), укладываемых над впускными (вал 14) и выпускными (вал 15) клапанами Хотя наличие двух распределительных валов, усложнение связи распределительных и коленчатых валов, загромождение головки двигателя являются недостатками данного способа открытия клапанов, но это лучше, чем детали клапанного привода, на которые действуют силы инерции и которые у быстроходных двигателей были бы значительными. Кроме того, при рассматриваемом размещении валов легко обеспечить открытие впускных и выпускных клапанов тогда, когда их по два (тех и других) на каждый цилиндр. При нижнем расположении распределительного вала усложняется конструкция клапанного привода.
Привод с неразрезными рычагами. Клапаны 1 (рис 82, а) открывают рычаги 13 и 16, сидящие на оси 14, закрепленной в стойке 12 крышки цилиндра.
На других концах этих рычагов предусмотрены регулировочные винты 3, упирающиеся в головки штанг 4, Нижний конец каждой из штанг упирается в толкатель 10, на ролик 9 которого может воздействовать кулачковая шайба 8 распределительного вала.
Когда выступ кулачковой шайбы набежит на ролик толкателя, штанга поднимется и рычаг 13 или 16 откроет клапан. Закрываются клапаны под действием своих пружин.
Клапанные рычаги изготовляют из стали. Чтобы уменьшить расстояние между кулачковыми шайбами, в двигателях Л275 рычаги насажены не под прямым углом по отношению оси 14 Для уменьшения изнашивания торцовой поверхности штока клапана и конца рычага предусмотрен ролик 2.
Однако такая конструкция себя не оправдала, на двигателях 6Л275ШПН завод изготовитель ролики уже не ставит Подшипниками рычагов служат бронзовые втулки 5, смазываемые под давлением маслом подводимым в канал а через штуцер, ввернутый с торца оси 14.
По каналам б клапанных рычагов масло проходит также для смазывания сферической опоры верхней головки штанги 4, а через просверленные отверстия в этой головке, внутренней полости штанги и в нижней ее головке подпятника 6 толкателя и затем далее ролика 9 и самого толкателя 10.
Охватывающая все узлы привода масляная система потребовалась потому, что в этом двигателе толкатели помещены в выгородке блок-картера, изолированной от картерного пространства (см. рис 217)
Чтобы толкатель 10 не поворачивался относительно своей оси, в рассматриваемой его конструкции предусмотрена скользящая шпонка 11, для которой в корпусе 5 выполнена вертикальная канавка. Окна в и ролик 7 толкателя предназначены для подъема последнего при реверсировании двигателя.
После пуска двигателя клапаны вследствие их нагревания удлиняются. Если в клапанном приводе не будет зазора, то при удлинении клапан не будет садиться в седло и его герметичность нарушится.
Следовательно, нарушится нормальное течение процессов сжатия и расширения, а в результате прорыва газов при горении клапан будет быстро обгорать и выйдет из строя. Поэтому при сборке привода и периодических проверках двигателя тепловой зазор в приводе регулируют болтами 3.
Размер этого зазора для холодного двигателя указан в руководстве по его эксплуатации и колеблется в пределах 0,2—2 мм для впускных и 0,3—2,5 мм для выпускных клапанов. Измеряют зазор щупом и обычно над торцом клапана.
При работающем, прогретом двигателе тепловой зазор уменьшается, но он обязательно должен быть. Во время работы двигателя его следует периодически проверять. Для этого достаточно повернуть штангу 4: при наличии зазора в момент, когда клапан закрыт, она легко поворачивается.
Привод с разрезным рычагом. Конструкция приводов с кулачковыми шайбами на распределительном валу значительно упрощается при наличии разрезных рычагов. В данном случае плечо рычага, примыкающее к клапану, и плечо, примыкающее к штанге, изготовляют каждое отдельно и жестко насаживают на общий валик.
На рис. 82, 6 изображен привод, клапанный рычаг 27 которого выполнен неразрезным, а рычаги 24 и 26 представляют собой два плеча разрезного рычага открытия впускного клапана. Рычаги 24 и 26 насажены на валик 29 на шпонках и закреплены на нем стяжными винтами.
Валик 29 лежит в роликовых подшипниках стойки 30, закрепленной на крышке цилиндра. Рычаг 24 с помощью головки, нижняя поверхность которой подвергалась цементации и закалке, может воздействовать на шток клапана 25.
На конце рычага 26 предусмотрен регулировочной винт 23, сферический торец которого опирается в верхнюю головку штанги 22. Когда кулачковая шайба
17 набежит на ролик 18 толкателя 19, штанга 22, поднимаясь, повернет по часовой стрелке рычаг 26 вместе с валиком 29 и рычагом 24, открывающим клапан.
Валик 29 является одновременно осью качания неразрезного рычага, имеющего также роликовый подшипник. Подшипники валика 29 и рычага 27 смазываются через каналы в валике консистентным смазочным материалом от колпачковой масленки 28.
Толкатели 19 направляет втулка 21, закрепленная на полке блок-картера. В каждый из толкателей вставлен упор 20 со сферическим торцом, в который упирается нижняя головка штанги 22. Ролик 18 толкателя фиксируют в вырезах г нижней части втулки 21, благодаря чему предотвращается поворот толкателя относительно его оси.
Рис. 82. Клапанный привод двигателей:
а — типа Л275; 6 — типа НФД48
Головки штанг в данном случае смазывают вручную. Смазывание ролика 18 и толкателя 19 происходит за счет оседания частичек масла из воздуха картерного пространства.
Ручное смазывание узлов клапанного привода — недостаток двигателя, особенно автоматизированного, эксплуатирующегося без постоянной вахты в машинном отделении или с сокращенным ее составом.
Поэтому в двигателях, построенных за последние годы, предусмотрено централизованное смазывание клапанного привода. В этом случае во избежание потерь масла крышки цилиндров закрыты колпаками (см., например, рис. 217).
В необходимых случаях оборудуют и штанги закрытиями в виде кожухов (двигатели 6ЧРН36/45).
В двигателях с большой частотой вращения часто применяют толкатели, условно называемые плоскими. У них нет роликов, и кулачковая шайба 1 (рис. 83, а) воздействует на плоскую поверхность головки 2 толкателя 3.
Иногда у плоских толкателей предусматривают форму стакана 4 (рис. 83, 6), в углубление дна которого упирается сферическая головка штангой 5. Чтобы уменьшить изнашивание торцовой поверхности толкателя, ось его часто смещают относительно середины кулачковой шайбы (см. рис. 83,а). В этом случае при каждом набегании шайбы толкатель будет повертываться.
Приводы открытия группы клапанов
У некоторых типов двигателей штанговые приводы применяют для одновременного открытия группы (от двух до четырех) клапанов одинакового назначения.
Так, у двигателя Д50, в котором по два впускных и выпускных клапана на цилиндр, в приводе предусмотрены трехплечные рычаги: плечо для штанги расположено с одной стороны оси качания, два плеча для клапанов — с другой.
Рычаги расположены один над другим, в связи с чем у выпускных клапанов более длинные стержни, чем у впускных.
Рис. 83. Типы плоских толкателей
Интересна конструкция клапанного привода двигателя 10Д40 (рис. 84). У этого двухтактного дизеля в крышке цилиндра установлено четыре выпускных клапана, а продувочный воздух поступает через окна во втулке цилиндра. Поскольку у всех клапанов одинаковое назначение, они должны открываться одновременно.
Для этой цели служит трехплечий рычаг: его плечо 10 примыкает к штанге 11 привода, а плечи рычагов 1 и 4 через траверсы 2 и 3 открывают клапаны 5. Каждая траверса предназначена для открытия двух клапанов. Хвостовик 8 траверсы движется в направляющей втулке 6, возвратное движение траверсы осуществляется под действием пружины 7.
Для регулировки сопряжений плеч рычагов 1 и 4 с траверсами 2 и 3 служат болты 9.
Траверсы открывают клапаны с помощью гидротолкателей (см. узел 1). Втулка 13 гидротолкателя запрессована в траверсу. Внутри втулки 13 находится толкатель 14, упирающийся в торец клапана 5. Пространство над толкателем заполнено маслом, поступающим через шариковый клапан 12 по каналу а масляной системы дизеля.
Привод работает следующим образом. Пока штанга 11 неподвижна, тол -катели 14 под давлением масла упираются в штоки клапанов 5, а траверсы 2 и 3 — в упорный болт 9 клапанного рычага.
Зазора в клапанном приводе нет, но это не препятствует тепловому удлинению, штока клапана при работе, ибо толкатель 14 опустится под давлением масла до упора в торец клапана. При подъеме штанги 11 клапанный рычаг повернется против часовой стрелки и его плечи 1, 4 надавят на траверсы 2, 3.
При движении траверс вниз шариковый клапан 12 перекроет выход масла из втулки 13 и траверса через слой масла откроет толкателями 14 клапаны.
Гидротолкатели обеспечивают открытие и закрытие клапанов точно в моменты набегания кулачковой шайбы на ролик толкателя и сбегания ее с ролика, а также уменьшают уровень шума при работе клапанного привода.
Рис 84. Групповой клапанный привей двигателя 10Д40
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ
Пароль на архив: privetstudent.com
Источник:
клапан выпускной двигателя внутреннего сгорания, способ его изготовления и жаропрочный сплав для него
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в поршневых авиационных и автомобильных ДВС. Клапан выпускной ДВС содержит шток с наконечником, головку зонтичной формы с ребрами жесткости, которых не более восьми, каждое ребро имеет скос к горизонтальной поверхности не более 20°.
Клапан изготовлен отливкой в вакууме по выплавляемым моделям в нагретые керамические формы с дальнейшей термообработкой в среде защитного газа при температуре 1200°С+20°С в течение не менее 4,5 часов, после чего осуществляют механическую обработку с последующим нанесением покрытия.
Приведен состав сплава, используемого для изготовления клапана.
Выпускной клапан такой конструкции, изготовленный данным способом и из предлагаемого сплава, высокотехнологичен, имеет незначительную трудоемкость, надежен в работе, обладает большой стойкостью к износу, имеет длительный срок службы и оптимальную массу. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в поршневых авиационных двигателях внутреннего сгорания.
Известен клапан впускной двигателя внутреннего сгорания, имеющий шток, головку грибковой формы и участок перехода между ними с ребрами жесткости (патент Японии № 61-229908 МПК F01L 3/20, F02B 31/00). В этом прототипе клапаны впуска ребра жесткости развивают поверхность для испарения топливовоздушной смеси, уменьшая ее адгезию на головку клапана в процессе работы двигателя.
Для клапана выпускного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) ребра жесткости устраняют коробление его рабочей фаски, играют дополнительную теплоотводящую роль от нее и интенсифицируют принудительное вращение действия клапанных пружин, дополнительной реакцией выхлопных газов, способствуя более плотной посадке клапана в его седло и стиранию нагара с рабочей фаски, повышая надежность и срок службы клапана без прогара при оптимальной его массе.
Данная техническая задача решается с помощью клапана выпускного ДВС, имеющего шток с наконечником, головку зонтичной формы с ребрами жесткости в ее донной части, равномерно на ней расположенными до 8 ребер по окружности с подъемом гребня каждого ребра не более 20° по направлению к горизонтали.
На фиг.1 изображен клапан выпускной, на фиг.2 — его разрез А-А, на фиг.3 — схема литья выпускного клапана двигателя внутреннего сгорания в вакууме в нагретые керамические формы.
Клапан выпускной состоит из штока 1, головки 2 зонтичной формы с ребрами жесткости 3 в ее донной части со стороны штока.
Для сохранения оптимальной массы клапана количество ребер жесткости достаточно не более 8 с подъемом (скосом) каждого до 20° к горизонтали.
Под ролик толкателя клапана на конце штока, противоположном головке, расположен наконечник 4, выполненный из металла большей твердости, чем шток, для лучшей износостойкости этого торца штока.
Головка 2 зонтичной формы имеет рабочую фаску 5, поверхность которой притирается к седлу клапана при сборке для обеспечения герметичности и мощности двигателя в работе.
Клапан выпускной ДВС — высокотеплонапряженная деталь двигателя, и именно приведенная конструкция, отличаясь простотой, стабильно обеспечивает не меньшую рабочую тепловую нагрузку, чем в клапане с внутренней теплоотводной полостью, заполняемой натрием для сбалансированности передачи тепла от грибка к штоку (стр.402-403 П.И.
Орлов «Конструкция авиационных двигателей», Оборонгиз, 1940, т.2).
Ребра жесткости увеличивают теплоотвод из зоны рабочей фаски 5 на шток 1 в процессе работы двигателя, что очень важно, и, кроме того, под воздействием турбулентного потока газов от сгорания топливовоздушной смеси приводят в более интенсивное вращение клапан, положительно дополняя воздействие клапанных пружин на его вращение, чем содействует более плотной и герметичной посадке в свое седло, стирая с рабочей фаски налипающие частицы нагара и исключая тем возникновение прогаров фаски, обеспечивая надежную герметичность посадки клапана в седло при работе двигателя на самых теплонапряженных режимах.
Известен способ изготовления клапана выпускного двигателя внутреннего сгорания, получаемого отливкой по выплавляемым моделям в нагретые керамические формы (патент Великобритании № 2110299, МПК F01L 3/02 — прототип).
Недостатком данного способа является необходимость в стабилизирующей термообработке для сохранения высоких прочностных характеристик материала.
Технологической задачей данной разработки является упрощение технологии изготовления клапана с повышением его технологичности, снижение трудоемкости и сохранение необходимой точности размеров с высоким качеством прочностных характеристик материала для надежной работы столь ответственной и высоконагруженной детали двигателя.
Способ изготовления клапана выпускного двигателя внутреннего сгорания, включающий отливку клапана по выплавляемым моделям в нагретые керамические формы без механической обработки оребренной части головки и с припуском до 1-2 мм на остальных поверхностях.
После отливки осуществляется стабилизирующая термообработка в среде защитного газа при температуре 1200+20°С в течение не менее 4,5 часов с последующей механической обработкой и нанесением нитридтитанового покрытия, что обеспечивает получение плотной, гомогенно-равноосной и стабильной структуры металла клапана с плотностью 8,9
г/см3 с высоким уровнем прочностных характеристик и точности размеров при рабочих температурах. На фиг.3 изображена схема литья клапана выпускного двигателя внутреннего сгорания в вакууме в нагретые керамические формы. Равноосная плотная макроструктура литого выпускного клапана обеспечивает высокие характеристики его механических свойств, приведенные в таблице 1.
После термообработки и предварительной чистовой проточки фаски и штока к торцу стержня клапана приваривается наконечник из высокохромистой стали, затем торец стержня подрезается, шлифуется и подвергается поверхностной закалке и отпуску на высокую твердость HRC50.
Затем следуют операции шлифовки, полирования и суперфиниширования штока и головки клапана до окончательных размеров и покрытие нитридом титана.
После покрытия нитридом титана шток повторно суперфинишируют, а рабочую фаску каждого клапана притирают к своему седлу в цилиндре при сборке.
Известен литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, титан, алюминий, кобальт, ниобий, вольфрам, молибден, железо, лантан, гафний, бор, церий и иттрий, дополнительно содержит тантал и рений при следующем соотношении 16 легирующих элементов, мас.%:
(пат. № 2081930, С22С 19/05 — аналог)
К недостатку этого многокомпонентного сплава относится малая стойкость к истиранию и износу при температурах более 900°С, несмотря на обилие легирующих элементов.
Наиболее близким аналогом является (патент США № 3497349, МПК С22С 19/05) жаропрочный сплав для клапана выпускного ДВС (на основе никеля), содержащий никель, углерод, хром, молибден, железо, вольфрам, бор, ниобий, кремний, марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%:
К недостатку вышеуказанного сплава относится наличие ниобия, примесей кремния и марганца, что не гарантирует от образования окислов даже в вакууме, не способствует образованию упрочняющей интерметаллидной фазы, не позволяет получить сплав с плотной мелкозернистой структурой.
Технической задачей данного изобретения является повышение стойкости сплава к износу рабочей фаски выпускного клапана ДВС при температурах более 900°С и получение сплава с плотной мелкозернистой структурой.
Для решения поставленной задачи используется жаропрочный сплав интерметаллидного упрочнения, без аллотропических превращений в плотной равноосной структуре, стабилизированной после литья в вакууме термообработкой до 1200°С+20°С, сравнительно простого химического состава, содержащий никель, углерод, хром, молибден железо, вольфрам, бор. Данный сплав содержит дополнительно алюминий, титан, цирконий и церий, что влияет на процесс кристаллизации и на образование упрочняющей интерметаллидной фазы при стабилизирующей термообработке и следующем соотношении всех составляющих в сплаве, мас.%:
Таким образом, выпускной клапан ДВС такой конструкции, изготовленный из данного сплава и таким способом, высокотехнологичен, имеет небольшую трудоемкость, надежен в работе, позволяет получить плотную мелкозернистую структуру, обладает большой стойкостью к износу, имеет длительный срок службы, оптимальную массу. Взаимозаменяемость литых и кованых клапанов при эксплуатации и ремонте двигателей сохраняется.
Формула изобретения
1. Клапан выпускной двигателя внутреннего сгорания, содержащий шток с наконечником, головку зонтичной формы с ребрами жесткости в ее донной части, отличающийся тем, что ребер жесткости не более 8, причем каждое ребро имеет скос к горизонтальной поверхности не более 20°.
2. Способ изготовления клапана выпускного двигателя внутреннего сгорания, включающий отливку клапана по выплавляемым моделям в нагретые керамические формы, отличающийся тем, что после отливки осуществляют стабилизирующую термообработку в среде защитного газа при температуре 1200°С+20°С в течение не менее 4,5 ч, механическую обработку и нанесение покрытия.
3. Жаропрочный сплав для клапана выпускного двигателя внутреннего сгорания, содержащий никель, углерод, хром, молибден, железо, вольфрам, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий, титан, цирконий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Источник:
Впускные и выпускные клапаны: размер имеет значение — DRIVE2
Если вы разрабатываете головку блока цилиндров для получения максимальной мощности, то не будет никаким сюрпризом, что основной целью является максимальный поток. Это, кроме всего прочего, требует использования клапанов большего размера, которые могут быть физически установлены в камеры сгорания. Это требует решения, как лучше всего разделить имеющееся пространство между впускными и выпускными клапанами. Другими словами, что лучше: большой впускной и маленький выпускной клапан, оба клапана одинакового размера или большой выпускной и маленький впускной клапан? Прежде всего, можно подумать, что большой выпускной клапан — это тот путь, которым нужно идти; ведь отработанные газы, без сомнения, занимают больший объем, чем газы, втянутые в цилиндр через впускную систему. Однако, когда мы касаемся мощности, действует другое «железное» правило: легче опустошить цилиндр, чем наполнить его.Годы экспериментов показали, что оптимальный размер выпускного клапана должен составлять примерно около 75% от впускного или, если точнее, поток через него должен составлять примерно 75% потока через впускной клапан. Это правило применяется только тогда, когда диаметры комбинируемых клапанов равны общему имеющемуся пространству в камере, т.е. клапаны почти касаются друг друга, как часто бывает в гоночных двигателях. Если используются клапаны с размерами, меньшими, чем максимальные, а мощность не является основной целью, то баланс между потоками впускного и выпускного каналов не так критичен.
Самое простое правило, которому нужно следовать: если основным требованием является мощность, то следуйте нормальному соотношению 0,75:1. Это правило можно изменить в тех случаях, когда двигатель оснащен системой турбонаддува или впрыска закиси азота. Для этих систем требуется обеспечение большего потока выхлопных газов и может успешно использоваться соотношение диаметров выпускного и впускного клапанов, составляющее 0,9:1 (поток выхлопных газов составляет 90% от потока впускаемой смеси) или даже больше.
К сожалению, установка увеличенных выпускных клапанов имеет «ловушку», которая обычно не связана с увеличением размеров впускных клапанов. Водяная рубашка внутри головки блока цилиндров расположена рядом с седлами выпускных клапанов. Это помогает поддерживать клапаны и седла холодными, но часто препятствует установке клапанов максимального размера. Вдобавок, тонкие отливки и большое количество тепла (побочный продукт высокой мощности) могут привести к образованию трещин в седлах, и это обычно укорачивает срок службы головки блока.
Замечание. Когда главной целью конструктора является экономия, а не мощность, размер выпускного клапана может быть увеличен до соотношения 0,75:1 даже при увеличении диаметра впускного клапана. Когда поток выпускного канала увеличивается, то пробег и срок службы двигателя будут улучшены. Однако здесь есть предел, как и во всем. Выпускные клапаны, размер которых превышает 90 — 95% от размера впускного клапана, дают очень маленькую дополнительную топливную экономию, и так как они используют пространство, обычно отдаваемое впускным клапанам, то потенциал по мощности будет уменьшен.
Почему диаметр впускных клапанов больше диаметра выпускных
Если вы разрабатываете головку блока цилиндров для получения максимальной мощности, то не будет никаким сюрпризом, что основной целью является максимальный поток. Это, кроме всего прочего, требует использования клапанов большего размера, которые могут быть физически установлены в камеры сгорания. Это требует решения, как лучше всего разделить имеющееся пространство между впускными и выпускными клапанами. Другими словами, что лучше: большой впускной и маленький выпускной клапан, оба клапана одинакового размера или большой выпускной и маленький впускной клапан? Прежде всего, можно подумать, что большой выпускной клапан — это тот путь, которым нужно идти; после всего отработанные газы, без сомнения, занимают больший объем, чем газы, втянутые в цилиндр через впускную систему. Однако, когда мы касаемся мощности, действует другое «железное» правило: легче опустошить цилиндр, чем наполнить его.
Годы экспериментов показали, что оптимальный размер выпускного клапана должен составлять примерно около 75% от впускного или, если точнее, поток через него должен составлять примерно 75% потока через впускной клапан. Это правило применяется только тогда, когда диаметры комбинируемых клапанов равны общему имеющемуся пространству в камере, т. е. клапаны почти касаются друг друга, как часто бывает в гоночных двигателях. Если используются клапаны с размерами, меньшими, чем максимальные, а мощность не является основной целью, то баланс между потоками впускного и выпускного каналов не так критичен.
Самое простое правило, которому нужно следовать: если основным требованием является мощность, то следуйте нормальному соотношению 0,75:1. Это правило можно изменить в тех случаях, когда двигатель оснащен системой турбонаддува или впрыска окиси азота. Для этих систем требуется обеспечение большего потока выхлопных газов и может успешно использоваться соотношение диаметров выпускного и впускного клапанов, составляющее 0,9:1 (поток выхлопных газов составляет 90% от потока впускаемой смеси) или даже больше.
Хорошим примером того, что может быть сделано с выпускными клапанами, иллюстрирует головка блока двигателя CHVY 186 («Шевроле»). Обычно эти головки оснащены выпускными клапанами диаметром 38,1 мм. Испытания на стенде показали, что увеличение диаметра выпускных клапанов до 42,7 мм и неизменность размера впускного клапана поможет увеличению мощности и топливной эффективности.
К сожалению, установка увеличенных выпускных клапанов имеет «ловушку», которая обычно не связана с увеличением размеров впускных клапанов. Водяная рубашка внутри головки блока цилиндров расположена рядом с седлами выпускных клапанов. Это помогает поддерживать клапаны и седла холодными, но часто препятствует установке клапанов максимального размера. Вдобавок, тонкие отливки и большое количество тепла (побочный продукт высокой мощности) могут привести к образованию трещин в седлах, и это обычно укорачивает срок службы головки блока.
Замечание. Когда главной целью конструктора, является экономия, а не мощность, размер выпускного клапана может быть увеличен до соотношения 0,75:1 даже при увеличении дна-метра впускного клапана. Когда поток выпускного канала увеличивается, то пробег и срок службы двигателя будут улучшены. Однако здесь есть предел, как и во всем. Выпускные клапаны, размер которых превышает 90-95% от размера впускного клапана, даюг очень маленькую дополнительную топливную экономию, и так как они используют пространство, обычно отдаваемое впускным клапанам, то потенциал по мощности будет уменьшен.
Установлено, что опустошить цилиндр легче, чем наполнить его. Это кардинальное правило диктует оптимальные размеры клапанов. Проверки показали, что у всех гоночных двигателей максимальная мощность будет получена тогда, когда размер выпускного клапана составляет примерно 0,75% от размера впускного клапана.
Камеры сгорания
Большинство дискуссий, относящихся к типам камер сгорания, касается того, какой из них лучше для форсированного двигателя. Двумя основными типами, имеющимися в распоряжении для конструкторов двигателей, являются следующие:
· замкнутая или разделенная камера сгорания классической клиновидной формы, в которой камера не простирается на весь диаметр отверстия цилиндра на стороне свечи зажигания или закаленной стороне (противоположной) головки блока;
· открытая или неразделенная камера, — модифицированная версия клиновидной камеры, которая простирается на сторону свечи зажигания или закаленную (противоположную) сторону головки блока или, в некоторых случаях, в обе стороны до полного диаметра отверстия цилиндра.
Для конструкторов двигателей имеются камеры сгорания двух обычных типов. Разделенная камера сгорания (вверху, двигатель «Шевроле «) представляет собой небольшую компактную камеру, которая не расширяется до отверстия цилиндра. Неразделенная камера (внизу, также двигатель «Шевроле «) расширяется на стороне свечи зажигания (на некоторых двигателях также и на другой стороне) до полного диаметра отверстия цилиндра.
Изначально неразделенные камеры развивались по двум причинам:
· они минимизировали выступание клапанов на некоторых форсированных двигателях в начале и середине 60-х годов, но из-за ужесточения требований к токсичности выхлопных газов было установлено, что
· неразделенные камеры стремились уменьшить токсичные выбросы.
Некоторые из испытанных двигателей со степенью сжатия 8,8:1 использовали поршни с выемкой, головки блока типа 186 с разделенными камерами сгорания промышленными карбюраторами. Многочисленные проверки показали, что двигатели выдавали на 20 л. с. больше, чем те же двигатели, но с головками блока с неразделенными камерами сгорания и с плоскими поршнями.
Для повседневного использования на головках блока с неразделенными камерами сгорания редко бывает какое-либо увеличение потока и мощности. Фактически, головки с неразделенными камерами сгорания могут в чем-то уменьшить потенциал мощности, из-за того, что большие камеры меньше сопротивляются детонации.
Эти головки с неразделенными камерами иногда можно узнать по их очень небольшой или вообще отсутствующей закаленной (противоположной свече зажигания) области.
Некоторые головки блока, обычно известные как конструкции с разделенной камерой сгорания, в действительности являются головками с неразделенными камерами сгорания. Ранние конструкции включают в себя камеру, которая простирается до диаметра отверстия цилиндра па стороне свечи зажигания (классическая конструкция с неразделенной камерой сгорания). Но они часто считаются головками с разделенными камерами сгорания, т. к. поздние головки двигателей «Крайслер», обычно называемые головками с разделенными камерами, имеют выемку на противоположной стороне (от свечи), которая расширяет камеру до полного отверстия цилиндра. В этом случае более ранние «меньше разделенные» камеры считаются многими конструкторами двигателей «Крайслер» разделенными камерами.
Дата добавления: 2016-11-29 ; просмотров: 1777 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Если вы разрабатываете головку блока цилиндров для получения максимальной мощности, то не будет никаким сюрпризом, что основной целью является максимальный поток. Это, кроме всего прочего, требует использования клапанов большего размера, которые могут быть физически установлены в камеры сгорания. Это требует решения, как лучше всего разделить имеющееся пространство между впускными и выпускными клапанами. Другими словами, что лучше: большой впускной и маленький выпускной клапан, оба клапана одинакового размера или большой выпускной и маленький впускной клапан? Прежде всего, можно подумать, что большой выпускной клапан — это тот путь, которым нужно идти; ведь отработанные газы, без сомнения, занимают больший объем, чем газы, втянутые в цилиндр через впускную систему. Однако, когда мы касаемся мощности, действует другое «железное» правило: легче опустошить цилиндр, чем наполнить его.
Годы экспериментов показали, что оптимальный размер выпускного клапана должен составлять примерно около 75% от впускного или, если точнее, поток через него должен составлять примерно 75% потока через впускной клапан. Это правило применяется только тогда, когда диаметры комбинируемых клапанов равны общему имеющемуся пространству в камере, т.е. клапаны почти касаются друг друга, как часто бывает в гоночных двигателях. Если используются клапаны с размерами, меньшими, чем максимальные, а мощность не является основной целью, то баланс между потоками впускного и выпускного каналов не так критичен.
Самое простое правило, которому нужно следовать: если основным требованием является мощность, то следуйте нормальному соотношению 0,75:1. Это правило можно изменить в тех случаях, когда двигатель оснащен системой турбонаддува или впрыска закиси азота. Для этих систем требуется обеспечение большего потока выхлопных газов и может успешно использоваться соотношение диаметров выпускного и впускного клапанов, составляющее 0,9:1 (поток выхлопных газов составляет 90% от потока впускаемой смеси) или даже больше.
К сожалению, установка увеличенных выпускных клапанов имеет «ловушку», которая обычно не связана с увеличением размеров впускных клапанов. Водяная рубашка внутри головки блока цилиндров расположена рядом с седлами выпускных клапанов. Это помогает поддерживать клапаны и седла холодными, но часто препятствует установке клапанов максимального размера. Вдобавок, тонкие отливки и большое количество тепла (побочный продукт высокой мощности) могут привести к образованию трещин в седлах, и это обычно укорачивает срок службы головки блока.
Замечание. Когда главной целью конструктора является экономия, а не мощность, размер выпускного клапана может быть увеличен до соотношения 0,75:1 даже при увеличении диаметра впускного клапана. Когда поток выпускного канала увеличивается, то пробег и срок службы двигателя будут улучшены. Однако здесь есть предел, как и во всем. Выпускные клапаны, размер которых превышает 90 — 95% от размера впускного клапана, дают очень маленькую дополнительную топливную экономию, и так как они используют пространство, обычно отдаваемое впускным клапанам, то потенциал по мощности будет уменьшен.
Теги: #Статьи #Корч #Почетные_Корчстроители
Впускной клапан – элемент механизма газораспределения ДВС, который отвечает за пропуск в рабочую камеру сгорания топливно-воздушной смеси или только воздуха (для дизельных ДВС или моторов с непосредственным впрыском). Впускной клапан ГРМ осуществляет открытие доступа в цилиндр двигателя, а затем перекрывает доступ перед тем моментом, когда начнется такт сжатия.
Впускные клапаны изготавливают из особой стали. К такой стали для изготовления клапанов двигателя внутреннего сгорания выдвигаются отдельные требования:
- высокая твердость поверхности;
- достаточная теплопроводность материала;
- узкий коэффициент термического расширения;
- противостояние разъедающему влиянию продуктов сгорания;
- возможность противостоять регулярным динамическим нагрузкам при высоком нагреве;
Дополнительные требования к стали для клапанов предполагают отсутствие эффекта закаливания в момент охлаждения клапана после работы в условиях высоких температур. Это означает, что при остывании сталь не должна становится хрупкой. Данным требованиям на 100% не соответствует ни одна из разработанных сегодня марок стали.
Клапаны ДВС изготавливают из высоколегированных сильхромов, что позволяет указанной детали работать в условиях высочайшего нагрева. Такой подход обеспечил нужную прочность клапана, а также возможность элемента противостоять коррозионным процессам, которые активно прогрессируют в среде его работы при высоких температурах около 600 — 800 °C.
Клапаны размещают под определенным углом (30-45 градусов) по отношению к вертикальной оси. Отличием впускного клапана от выпускного является то, что его тарелка имеет больший диаметр сравнительно с тарелкой выпускного клапана. Такое различие вызвано тем, что момент открытия впускного клапана происходит именно тогда, кода в камере сгорания появляется разрежение. В момент выпуска в цилиндре имеет место повышение давления.
Разрежение в цилиндре на впуске уступает давлению по силе на такте выпуска. Для максимально качественного и полного наполнения рабочей топливно-воздушной смесью на впуске необходимы клапана с большей пропускной способностью. Такая пропускная способность реализована посредством увеличения диаметра тарелки впускного клапана или количества впускных клапанов.
Тарелка впускного клапана со стороны рабочей камеры сгорания плоская, а со стороны распределительного вала получает форму конуса. Данный конус еще называется фаской. В момент закрытия впускного клапана фаска прилегает к седлу клапана, которое также представляет собой коническое отверстие в ГБЦ.
Точность посадки впускного клапана обеспечена благодаря использованию направляющей втулки. В указанную втулку вставляется стержень клапана, а сама втулка называется направляющей клапана. Направляющие клапанов запрессованы в корпус ГБЦ, а также дополнительно зафиксированы посредством стопорного кольца.
Современные силовые агрегаты имеют тенденцию к увеличению количества впускных клапанов на цилиндр для улучшения пропускной способности, повышения эффективности наполнения цилиндра рабочей топливно-воздушной смесью и улучшения мощностных и других характеристик ДВС.
Клапан получает внутреннюю и наружную пружины. Данные цилиндрические пружины закрепляют на стержне клапана. Открытие впускного клапана на такте впуска становится возможным благодаря тому, что усилие от кулачка распределительного вала передается на рокер (толкатель). Конструкция современных ДВС подразумевает прямое воздействие кулачка распредвала на клапан. Пружины клапана плотно закрывают (прижимают) клапан обратно после того, как рокер сбегает с толкателя или стержень клапана прекращает контактировать с кулачком распредвала.
Между распределительным валом (его кулачком) и стержнем клапана (его торцевой частью) имеется конструктивный зазор. Такой зазор (может находиться на отметке 0,3-0,05 мм) создан для компенсации теплового расширения впускного клапана.
Открытие и закрытие впускных клапанов в четко определенный момент становится возможным благодаря угловому положению распредвала, которое в точности совпадает с аналогичным положением коленчатого вала ДВС. Получается, положение распредвала в момент открытия впускных клапанов строго соответствует положению коленвала. Конструкции двигателей могут отличаться, количество распредвалов может быть разным.
Закрытие впускного клапана осуществляется с небольшой задержкой. Клапан закрывается в тот момент, когда поршень в цилиндре оказывается в нижней мертвой точке и далее начинается движение вверх. Цилиндр продолжает наполняться и после начала движения поршня вверх. Такое явление происходит в результате инерционного движения во впускном коллекторе.
Основными неисправностями, которые напрямую связаны с клапанами ДВС, являются: загибание клапанов, зарастание клапанов нагаром и прогар клапана. Загибание клапанов чаще всего происходит по причине обрыва ремня ГРМ. Не менее часто гнет клапана и при неправильно выставленных метках в процессе замены приводного ремня ГРМ. Менять ремень ГРМ и выставлять метки на шкивах распредвала и коленвала нужно с повышенным вниманием.
Неисправностью клапанного механизма становится образование нагара на впускных и выпускных клапанах, что проявляется в повышенном шуме в процессе работы и падении мощности ДВС. Характерно появление металлического стука в области клапанной крышки на ГБЦ, а также проблемы с клапанами выявляют по хлопкам во впускном и выпускном коллекторе.
Нагар на клапанах и седлах не позволяет элементам плотно прилегать друг к другу, что ведет к потере необходимого показателя компрессии в двигателе. Снижение компрессии означает потерю мощности ДВС. Сильный нагар также приводит к перегреву и прогару клапана.
Неисправность пружин клапана может привести к деформации ГБЦ и заеданию стержня в направляющей клапана. Неправильный тепловой зазор между рычагом и стержнем приводит к сильному стуку клапанов. В таком случае необходимо немедленно заниматься выставлением требуемого производителем теплового зазора. Автолюбители называют эту процедуру регулировкой клапанов. Регулировать клапана нужно с определенной периодичностью в процессе эксплуатации мотора, а также если указанная возможность отрегулировать клапана двигателя изначально предусмотрена конструктивно.
Какой клапан больше впускной или выпускной
Какой клапан больше впускной или выпускной ⋆ Прорабофф.рф
Если вы планируете увеличить мощность двигателя за счет замены впускных и выпускных клапанов, то в первую очередь нужно узнать какой из них должен быть больше.
В этой статье мы расскажем, какой клапан больше впускной или выпускной, чтобы вы в дальнейшем могли знать нужные ли детали стоят в двигателе.
Зачем нужны клапаны
Перед тем как узнать рекомендуемое соотношение клапанов мы расскажем, зачем они вообще нужны. Итак, впускной и выпускной клапан играют важную роль в работе системы сгорания. Впускной клапан подает топливо в камеру сгорания, а выпускной позволяет выходить газам, которые образовались после сгорания топлива.
Какой клапан должен быть больше
Каждый из клапанов важен и на первый взгляд различия в размерах совсем не играют роли, но это ошибка, ведь даже от нескольких миллиметров зависит мощность двигателя. По словам профессиональных исследователей, впускной клапан должен быть больше выпускного, и в соотношении составлять 1:0,75. Такое соотношение объясняется тем, что выпускному клапану куда легче выпустить легкие газы, и поэтому и больший размер необязателен. Соотношение 1:0,9 подходит лишь тем автомобилям, которые используют закись азота или турбо надув, а таких, как правило, можно посчитать по пальцам.
Вывод
Теперь вы знаете, какой клапан больше впускной или выпускной. Также от рекомендуемого соотношения впускного и выпускного клапана зависит экономия топлива. Даже от небольшого увеличения выпускного клапана зависит снижение мощности и увеличения расхода топлива, поэтому отнестись нужно к этому серьезно. Удачи!
Впускные и выпускные клапаны автомобиля, конструкция и материалы
Впускные и выпускные клапаны автомобильных двигателей имеют тарельчатую форму. Клапан открывается под действием клапанного механизма, управляемого эксцентриковым кулачком. Работа кулачка синхронизирована с положением поршня и периодом вращения коленчатого вала.
В связи с этим они изготавливаются из более стойких материалов, чем впускные клапаны, и соответственно стоят дороже.
Направляющая втулка клапана расположена соосно с седлом клапана, так чтобы между рабочей фаской клапана и седлом обеспечивался герметичный газонепроницаемый контакт. Рабочая фаска клапана и седло скошены под углом 30° или 45°. Это номинальные значения угла фаски. Фактические значения могут на один-два градуса отличаться от номинальных. Клапаны и седла клапанов, используемые в большинстве двигателей, имеют номинальный угол фаски, равный 45°. Клапан прижимается к седлу под действием пружины. Пружина удерживается на стержне клапана (некоторые автомеханики называют его штоком клапана) опорной тарелкой пружины, которая, в свою очередь, контрится на стержне клапана замком (сухариками). Для демонтажа клапана необходимо сжать пружину и снять сухарики. После этого можно снять пружину, манжету, и вынуть клапан из головки.
Всесторонние испытания показали, что между различными геометрическими параметрами клапанов существуют оптимальные соотношения. В двигателях с цилиндрами внутренним диаметром от 3 до 8 дюймов (от 80 до 200 мм) для впускного клапана оптимальным будет диаметр головки, составляющий приблизительно 45% внутреннего диаметра цилиндра. Оптимальный диаметр головки выпускного клапана составляет примерно 38% внутреннего диаметра цилиндра. Впускной клапан должен быть больше по размеру, чем выпускной, чтобы пропускать ту же массу газа. Больший по размеру впускной клапан управляет низкоскоростным потоком разреженного газа. В то же время выпускной клапан управляет высокоскоростным потоком сжатого газа. С таким потоком в состоянии справиться клапан меньшего размера. Вследствие этого диаметр головки выпускного клапана составляет примерно 85% диаметра головки впускного клапана. Для нормального функционирования диаметр головки клапана должен составлять приблизительно 115% диаметра клапанного окна. Клапан должен быть достаточно большим, чтобы перекрывать окно. Высота подъема клапана над седлом составляет примерно 25% диаметра головки.
Конструкции клапанов автомобиля
Головки клапанов авто (автомеханики часто называют их тарелками) могут иметь различную конструкцию, они могут быть как жесткими так и эластичными. Жесткая головка обладает высокой прочностью, сохраняет форму и обладает высокой теплопроводностью. Она также отличается более высокой износоустойчивостью. Эластичная головка, в свою очередь, способна приспосабливаться к форме седла. Поэтому эластичный клапан надежно запечатывает окно, но перегревается, а изгибы при посадке в седло, когда клапан адаптируется к его форме, могут привести к его разрушению. В конструкции клапанов широко используется головка, над лицевой поверхностью которой выступает небольшая шляпка. Такой клапан обладает достаточно небольшим весом, высокой прочностью и теплопередачей и чуть более высокой ценой. Эластичные головки чаще встречаются у впускных клапанов, а жесткие — у выпускных.
Попадание холодного воздуха на горячие выпускные клапаны сразу после остановки двигателя может привести к серьезным повреждениям клапанов. В двигателях оснащенных выпускными коллекторными головками и/или прямоточными глушителями, холодному воздуху открыт прямой доступ к выпускным клапанам. Резкое охлаждение может вызвать коробление и/или образование трещин в клапане. В холодную ветреную погоду, когда ветер вдувает холодный наружный воздух прямо в систему выпуска отработавших газов, такие условия — не редкость. Противоточные глушители с длинными выхлопными трубами и каталитическим нейтрализатором отработавших газов снижают опасность возникновения такой ситуации.
Материалы из которых изготавливаются клапаны
Сплавы, материалы из которых изготавливаются выпускные клапаны автомобиля, состоят главным образом из хрома, обеспечивающего высокую жаростойкость, с небольшими добавками никеля, марганца и азотных соединений. Если требуется придать клапану особые характеристики, то он подвергается термообработке. Если конструкция клапана из однородного материала не может обеспечить необходимую прочность и жаростойкость, то его изготавливают сварным — из двух различных материалов. После обработки место соединения частей клапана невозможно различить. Головки клапанов изготавливаются из специальных сплавов, обладающих жаростойкостью, прочностью, коррозионной стойкостью, стойкостью к воздействию окиси свинца и высокой твердостью. Головки привариваются к стержням, изготовленным из материалов, обладающих высокой износостойкостью. В клапанах, предназначенных для работы в особо тяжелых условиях, на рабочую фаску головки и верхушку стержня впускного клапана автомобиля направляются твердосплавные материалы типа стеллита. Стеллит представляет собой сплав никеля, хрома и вольфрама и является немагнитным материалом. В тех случаях, когда необходимо повысить коррозионную стойкость, клапан алитируется. Алитирование рабочей фаски снижает ее износ при использовании неэтилированного бензина. На поверхности клапана формируется пленка окиси алюминия, предотвращающая приваривание стальной фаски клапана к чугунному седлу.
Клапаны с полым стержнем и деформацией седла
В некоторых типах особо мощных двигателей используются выпускные клапаны с полым стержнем, заполненным металлическим натрием. Натрий при нагреве клапана до рабочей температуры расплавляется, превращаясь в жидкость. Этот расплав плещется в канале стержня и отводит тепло от головки клапана в стержень. Далее тепло передается через направляющую втулку клапана и поглощается системой охлаждения. Монолитная конструкция впускного и выпускного клапана при правильном выборе материалов обеспечивает, как правило, хорошие эксплуатационные характеристики автомобильных двигателей.
Клапан прижимается к седлу рабочей фаской, герметично закрывая камеру сгорания. Седло обычно формируется как элемент конструкции в отливке чугунной головки блока цилиндров — такое седло называется встроенным седлом. Седла обычно подвергаются индукционной закалке, чтобы можно было использовать неэтилированный бензин. Это обеспечивает замедление износа седел в процессе эксплуатации двигателя. В процессе износа седла клапан все глубже садится в него — утапливается. В тех случаях, когда коррозионная стойкость и износостойкость должны быть особенно высокими, всегда используются вставные седла. В алюминиевых головках седла и направляющие втулки клапанов — только вставные. Необходимо отметить, что в алюминиевых головках рабочая температура седел выпускных клапанов на 180°Ф (100°С) ниже, чем в чугунных. Вставные седла используются в качестве спасительной меры при восстановлении сильно поврежденных встроенных седел клапанов.
Деформация седла является основной причиной преждевременного выхода из строя клапанов. Деформация седла клапана может быть обратимой — как результат воздействия высокой температуры и давления, или необратимой — как результат действия внутренних механических напряжений. Механическое напряжение — это сила, действующая на тело, которая стремится изменить его форму.
Впускные и выпускные клапаны: размер имеет значение — DRIVE2
Если вы разрабатываете головку блока цилиндров для получения максимальной мощности, то не будет никаким сюрпризом, что основной целью является максимальный поток. Это, кроме всего прочего, требует использования клапанов большего размера, которые могут быть физически установлены в камеры сгорания. Это требует решения, как лучше всего разделить имеющееся пространство между впускными и выпускными клапанами. Другими словами, что лучше: большой впускной и маленький выпускной клапан, оба клапана одинакового размера или большой выпускной и маленький впускной клапан? Прежде всего, можно подумать, что большой выпускной клапан — это тот путь, которым нужно идти; ведь отработанные газы, без сомнения, занимают больший объем, чем газы, втянутые в цилиндр через впускную систему. Однако, когда мы касаемся мощности, действует другое «железное» правило: легче опустошить цилиндр, чем наполнить его.Годы экспериментов показали, что оптимальный размер выпускного клапана должен составлять примерно около 75% от впускного или, если точнее, поток через него должен составлять примерно 75% потока через впускной клапан. Это правило применяется только тогда, когда диаметры комбинируемых клапанов равны общему имеющемуся пространству в камере, т.е. клапаны почти касаются друг друга, как часто бывает в гоночных двигателях. Если используются клапаны с размерами, меньшими, чем максимальные, а мощность не является основной целью, то баланс между потоками впускного и выпускного каналов не так критичен.
Самое простое правило, которому нужно следовать: если основным требованием является мощность, то следуйте нормальному соотношению 0,75:1. Это правило можно изменить в тех случаях, когда двигатель оснащен системой турбонаддува или впрыска закиси азота. Для этих систем требуется обеспечение большего потока выхлопных газов и может успешно использоваться соотношение диаметров выпускного и впускного клапанов, составляющее 0,9:1 (поток выхлопных газов составляет 90% от потока впускаемой смеси) или даже больше.
К сожалению, установка увеличенных выпускных клапанов имеет «ловушку», которая обычно не связана с увеличением размеров впускных клапанов. Водяная рубашка внутри головки блока цилиндров расположена рядом с седлами выпускных клапанов. Это помогает поддерживать клапаны и седла холодными, но часто препятствует установке клапанов максимального размера. Вдобавок, тонкие отливки и большое количество тепла (побочный продукт высокой мощности) могут привести к образованию трещин в седлах, и это обычно укорачивает срок службы головки блока.
Замечание. Когда главной целью конструктора является экономия, а не мощность, размер выпускного клапана может быть увеличен до соотношения 0,75:1 даже при увеличении диаметра впускного клапана. Когда поток выпускного канала увеличивается, то пробег и срок службы двигателя будут улучшены. Однако здесь есть предел, как и во всем. Выпускные клапаны, размер которых превышает 90 — 95% от размера впускного клапана, дают очень маленькую дополнительную топливную экономию, и так как они используют пространство, обычно отдаваемое впускным клапанам, то потенциал по мощности будет уменьшен.
Теги: #Статьи #Корч #Почетные_Корчстроители
Выпускной клапан
Выпускной клапан – элемент ГРМ, при открытии которого происходит удаление (выпуск) отработавших газов из камеры сгорания двигателя.
Выпуск газов происходит тогда, когда поршень в цилиндре двигателя направляется от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ). В процессе работы двигателя выпускные клапаны подвергаются значительным термическим нагрузкам, так как постоянно контактируют с раскаленными отработавшими газами. Головка клапана при работе ДВС может разогреваться в пределах 600-800 градусов.
После окончания такта впуска и сжатия главным требованием в момент возгорания топлива в камере сгорания является максимальная герметичность. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Когда поршень принял на себя энергию расширяющихся газов после возгорания топливно-воздушной смеси, из камеры сгорания необходимо удалить эти отработавшие газы. Герметизация камеры на данном этапе уже не нужна. За удаление выхлопных газов в конструкции газораспределительного механизма отвечает выпускной тарельчатый клапан, который размещен в головке блока цилиндров (ГБЦ).
На такте впуска создается разряжение, а на такте выпуска в рабочей камере сгорания двигателя образуется повышенное давление. После сгорания смеси топлива и воздуха отработавшие газы покидают камеру сгорания через открывающийся в нужный момент выпускной клапан. Сила давления позволяет газам с легкостью выйти из рабочей камеры. Этим объясняется меньший размер тарелки выпускного клапана сравнительно с тарелкой впускного клапана. На такте впуска разрежение по своей силе меньше давления на выпуске. Выхлопные газы практически выталкиваются наружу через открытый выпускной клапан.
Эффективная герметизация камеры сгорания стала возможна благодаря использованию тарельчатых клапанов в конструкции ГРМ современных ДВС. Устройство клапана простое, элемент имеет тарелку и стержень. Фаска плавно переходит в стержень, что делает клапан достаточно прочным. Коническая форма перехода заметно снижает сопротивление выхлопных газов при выходе из камеры, а также дополнительно улучшает герметизацию.
Открытие выпускного клапана происходит благодаря полученному усилию от кулачка распределительного вала. Стержень (шток) клапана находится в направляющей втулке клапана, которая запрессована в ГБЦ. Кулачок распредвала нажимает прямо на шток клапана или на рокер, от которого усилие передается на стержень. В ГБЦ также размещено седло клапана. Седло клапана представляет собой углубление, которое по своей форме соответствует верхней части тарелки клапана. Тарелка клапана и седло клапана с филигранной точностью прижимаются друг к другу. Данное решение позволяет обеспечить максимальную герметичность в тот момент, когда закрыты впускной и выпускной клапаны. Главной задачей становится исключить прорыв газов из камеры сгорания.
На верхней части стержня клапана выполнена специальная выточка. Указанная выточка является местом установки «сухаря». Данный «сухарь» представляет собой коническое кольцо, которое разрезано на две равных части. Решение необходимо для крепления тарелки пружины клапана. Если открытие клапана осуществляется за счет «толчка» от кулачка распредвала, то закрытие клапана реализовано посредством усилия пружины клапана. Указанная пружина закрывает клапан, плотно прижимая тарелку к седлу. Дополнительно имеется механизм, который осуществляет проворачивание клапана. Это необходимо для равномерного износа клапана и очистки клапана от нагара.
Выпускной клапан работает в крайне сложных условиях. Отработавшие газы вызывают сильную коррозию выпускных клапанов. Если топливо сгорает в камере не полностью, тогда это может привести к прогару клапана. Регулировка клапанного механизма является важной процедурой в процессе эксплуатации ДВС. Раннее закрытие выпускного клапана может привести к быстрому его прогару.В процессе эксплуатации любого ДВС тарелка клапана и седло покрываются нагаром. Избежать нагара на клапанах практически не представляется возможным. Наличие нагара вызывает постоянный перегрев выпускного клапана. Рано или поздно опорная поверхность клапана начинает выгорать, что приводит к потере герметичности в камере сгорания. Результатом становится прогрессирующая потеря мощности ДВС, затрудненный пуск и т.д.
Появившиеся от перегрева микротрещины на тарелке клапана постепенно увеличиваются, так как раскаленные газы под давлением начинают прорываться наружу из камеры сгорания. Головка клапана в таких условиях деформируется и далее разрушается. Выход клапана из строя фактически означает полную потерю цилиндром двигателя своей функциональности. После замены обязательно требуется притирка клапана к седлу для максимально точного прилегания. Игнорирование процедуры или некачественное выполнение притирки клапанов приведет к быстрому выходу нового клапана из строя.
Вполне очевидно, что перегрев является серьезной проблемой выпускных клапанов. Для изготовления выпускного клапана используется особая хромоникельмолибденовая сталь. Основой является никель, который повышает устойчивость выпускного клапана к механическому разрушению. Сталь для изготовления клапанов отличается высокой жаропрочностью.
Следующим шагом по снижению термонагруженности выпускного клапана становится его конструкция, которая отличается от устройства впускных клапанов.
Стержень выпускного клапана полый, полость заполнена металлическим натрием. Натрий расплавляется и перетекает внутри стержня клапана, что позволяет улучшить теплообмен и равномерно распределить нагрев.
Выпускной клапан также может иметь дополнительную защиту, которая способна значительно продлить срок службы элемента. Единственным недостатком можно считать конечное удорожание производства детали.Среди наиболее распространенных способов защиты отмечены:
- лазерное легирование;
- метод плазменно-порошковой наплавки;
- наплавка токами высокой частоты;
Плазменно-порошковая наплавка считается одним из наиболее экономически и практически оправданных решений. Для такой наплавки используют различные металлические порошки, в основе которых лежит кобальт или никель. Технологии нанесения покрытия разные, но главной задачей каждого из указанных способов становится наплавление тонкого слоя защиты на поверхность клапана для повышения износостойкости, устойчивости к появлению коррозионных процессов и механическому разрушению.
Как выбрать впускные и выпускные клапаны
Клапаны – это небольшие металлические изделия в составе системы газораспределения двигателя, ответственные за регулирование подачи горючей смеси и выпуск т.н. отработавших газов, в народе называемые выхлопом. Несмотря на простоту конструкции, клапаны бывает сложно подобрать, особенно если они требуется для тюнинга двигателя. Сегодня Avto.pro разберется с конструкцией впускных и выпускных клапанов, их назначением, особенностями эксплуатации, наиболее частыми неисправностями, а также методиками выбора.
Материалы и конструктивные особенности
В общем виде впускные и выпускные клапаны представляют собой стальную тарелку с длинным стержнем (штоком). По причине того, что клапаны подвергаются огромным тепловым и механическим перегрузкам, требования к материалам и технологиям их обработки довольно высоки. Изделия должны обладать следующими свойствами:
- Высокая теплопроводность;
- Высокая твердость;
- Узкий коэффициент термического расширения;
- Способность противостоять действию продуктов сгорания и динамическим нагрузкам при нагреве.
В тандеме с клапанами работают пружины, отвечающие за возврат клапана в седло после снятие нагрузки от распредвала и его удержания в закрытом положении, т.е. обеспечения плотной посадки. Также в газораспределительном механизме имеются направляющие втулки, дающие клапанам верное направления для совершения возвратно-поступательных движений. Обычно направляющие втулки имеют форму разборной муфты для более простой выпрессовки и запрессовки по необходимости. В отдельных случаях втулки являются одним целым с головкой цилиндра.
Сегодня на изготовление клапанов обычно идут высоколегированные сильхромы и аустенитные стали, устойчивые к экстремальным нагревам при температурах 350-900°C (зависит от типа клапана). Изделия не закаливаются, так как это повышает хрупкость материала. Сразу отметим, что фактически материалам клапанов столь высоки, что полностью им не соответствует ни одна из марок стали. Впрочем, качественные изделия достаточно живучи для того, чтобы прослужить столько же, сколько обычно служит двигатель автомобиля в принципе. При описании геометрии, конструктивных элементов и особенностях изготовления клапанов учитывают:
- Общую длину L, диаметр тарелки D, диаметр стержня d, угол гантели и угол посадки α;
- Общую толщину тарелки, высоту края тарелки и высоту седла;
- Наличие выемки в тарелке и канавки в стержне;
- Особенности закалки конца стержня.
Впускные и выпускные клапаны имеют отличную геометрию и не являются взаимозаменяемыми. Основное отличие – диаметр тарелки D – тяжело заметить невооруженным взглядом. Также могут незначительно отличаться длины стержней. Пример геометрии (1 – впускной клапан; 2 – выпускной): 1) D = 29 mm, L = 91,3 mm; 2) D = 25 mm, L = 90,2 mm. Однако есть исключение. В большинстве газораспределительных систем общее число клапанов является четным числом. Если число нечетное, то у выпускных клапанов будут тарелки больше диаметра, нежели у впускных. По этой причине при поиске запчастей для ремонта двигателя водителю необходимо проверять коды, уточнять совместимость и изучать геометрические параметры, если они есть в описании изделий.
Назначение и особенности впускных и выпускных клапанов
Во вступлении мы указали, каково назначение клапанов отдельных типов, однако в данном разделе этот момент будет разобран в подробностях. Начнем с выпускного клапана. Для лучшего понимания всего, что будет описано дальше, рекомендуем автолюбителям ознакомиться с понятием фаз газораспределения. Выпускные клапаны ответственно за удаление уже отработавших газов из камер сгорания мотора. Выпуск происходит в тот момент, когда поршень направляется от т.н. нижней мертвой точки к верхней мертвой точки. Так как температура газов и перепады давлений особенно велики, выпускные клапаны должны иметь больший запас прочности, нежели впускные. Производители защищают изделия при помощи:
- Плазменно-порошковой наплавки;
- Лазерного легирования;
- Наплавки при помощи токов высокой частоты.
Для наплавки используются составы, включающие порошки кобальта или никеля. Наплавка позволяет создать тонкий защитный слой из указанных материалов, которые обеспечивают лучшую коррозионную защиту изделий, их лучшую устойчивость к механическим воздействиям и перепадам температур.
Теперь объясним, чем обусловлены столь высокие требования именно к выпускным клапанам и почему они имеют тарелки меньшего диаметра. Как только такт впуска сжатия подошел к концу, камера сгорания должна быть герметичной (клапаны закрыты). Происходит возгорание смеси, после которого отработавшие газы нужно оперативно удалить. Размещенный в головке блока цилиндров тарельчатый выпускной клапан берет эту задачу на себя. Давление в камере велико, так что отработавшие газы быстро проходят через клапан, получающий усилие от кулачка распредвала – его не нужно оснащать тарелкой большого диаметра, ведь газы фактически выталкиваются сами собой. Теперь мы можем сформулировать еще одно требования к такому клапану: точное соответствие геометрии тарелки геометрии седла. Если они не будут прижиматься друг к другу в нужный момент, то камера не будет герметизироваться. Как результат, отработавшие газы начнут прорываться через клапан.
В дальнейшем мы выделим неисправности клапанов в отдельных раздел, однако эксперты Avto.pro считают нужным сразу рассказать читателям, чем обусловлен выход из строя выпускных клапанов. Дело в том, что клапаны постепенно покрываются нагаром. Сильнее всего страдают тарелки, особенно если топливовоздушная смесь переобогащена и не сгорает полностью. Тарелка также может перегреваться. Она не оплавляется и практически не деформируется – следствие правильного подбора марки стали и технологии производства, – но вот предотвратить появление микротрещин на тарелке невозможно. Со временем именно они станут причиной потери герметичности и прорывом отработавших газов. Еще один момент: если выпускные клапаны не притираются к седлам должным образом, то герметичность также будет нарушена.
Как читатель уже наверняка догадался, впускные клапаны отвечают за пропуск в рабочие камеры сгорания или топливоздушной смеси, или одного только воздуха, что справедливо для дизеля и двигателей с непосредственным впрыском. Именно эти клапаны дают смеси и воздуху попасть в камеры, а затем герметизируют их перед началом такта сжатия. Работа впускных клапанов определяется угловым опережением распредвала. Впускные клапаны омываются свежим зарядом, а также находятся в относительно легких температурных условиях, так что требования к материалам для их изготовления не столь жесткие. Стоит добавить, что клапаны снабжают т.н. маслосъемными колпачками, о которых мы писали в данном материале. Колпачки не дают маслу попасть в камеру сгорания через образующийся в период такта впуска зазор.
Коротко о тепловом зазоре
Распределительный вал двигателя действует на клапаны кулачком или через т.н. коромысла. Здесь есть одна интересная особенность: металл расширяется при нагреве, а значит, клапан может удлиняться по ходу прогрева двигателя. В результате изменения геометрии клапана появляется тепловой зазор, который необходимо регулировать – он не должен быть слишком большим или малым. Это называется регулировкой теплового зазора клапана. Нормальная величина зазора на холодном двигателе составляет:
- Выпускные клапаны – 0,35-0,40 mm;
- Впускной клапан – 0,25-0,30 mm.
На морально устаревших моделях двигателях тепловые зазоры регулируется вручную. В более современных эту задачу берут на себя гидрокомпенсаторы, осуществляющие регулировку в автоматическом режиме. Об их устройстве, неисправностях и методиках выбора последних мы писали в данном материале. Ручная регулировка / проверка исправности компенсаторов обязательно – изменение зазора негативно влияет на работу двигателя. При малом зазоре падает компрессия и наблюдается прорыв газов вследствие негерметичности камер сгорания. Первыми в этом случае страдают сами клапаны (выпускные в особенности). Увеличение зазора приводит к повышению нагрузки на клапанный механизм и ухудшению наполнения цилиндров топливовоздушной смесью.
Как отмечают специалисты, регулировать клапаны стоит каждые 60-80 тыс. км пробега. Если мотор оснащен гидрокомпенсаторами, то автолюбителю стоит помнить, что появление стуков в подкапотном пространстве может свидетельствовать об их неисправности. О наличии проблем также будет снижение мощностных показателей двигателя. Зачастую работоспособность компенсаторов удается восстановить в бытовых условиях. Дело в том, что в них скапливается нагар, который легко удаляется бензином или другим растворителем.
Признаки неисправности клапанов
Несмотря на простую конструкцию и внушительный эксплуатационный ресурс, как впускные, так и выпускные клапаны периодически выходя из строя. Последние страдают чаще, так что стоит сосредоточиться на их проверке, если вы столкнулись со следующими проблемами:
- Существенная потеря мощности двигателя;
- Повышенная шумность выхлопа, появление хлопков;
- Неустойчивая работа двигателя;
- Появление стуков в подкапотном пространстве.
Последнее связано с неправильной регулировкой или выходом из строя гидрокомпенсаторов, если двигатель автомобиля ими оснащен. Автолюбителю стоит обратиться в автосервис. Специалисты приступят к частичной разборке двигателя и выяснят, связана ли ненормальная работа двигателя с неисправностью клапанов. Если причина проблем кроется именно в клапанах, то вот что можно обнаружить при их осмотре:
- Загибание стержня. Может быть вызвано обрывом ремня ГРМ или его неправильной установкой (неправильным выставлением меток на шкивах распредвала/ов и коленвала), повышенными зазорами в приводе и неправильным монтажом;
- Скол тарелки. Основными причинами появления сколов является неплотная посадка в седле и ударные нагрузки;
- Сильная деформция тарелки. В основном деформируются тарелки клапанов, которые подвергаются чрезмерным механическим нагрузкам. Такое происходит при клине, превышении частоты оборотов двигателя, выходу из строя пружины клапана, несоосности седла клапана со втулкой;
- Скопление нагара на тарелке и части стержня. Клапан покрывается нагаром при проникновении масла через образующиеся при работе ГРМ зазоры.
Зачастую при наличии проблем с клапанами рядовые автолюбители и даже специалисты говорят об их прогорании. Как показала практика, прогорание клапана является синонимом скола или сильной деформации тарелки по причинам, которые указаны в списке выше. Избежать этих проблем непросто. Вот основные причины прогорания: заводской брак, неверная величина теплового зазора, использование неподходящего топлива, износ направляющей втулки, старение пружины, износ колец цилиндров, износ маслосъемных колпачков, недостаточная эффективность работы системы охлаждения ДВС. Читатель мог подумать, что заводской брак не должен быть одной из главных причин выхода клапанов из строя. К несчастью это так, а согласно некоторым исследованиям, каждое пятое изделие на вторичном рынке автозапчастей является бракованным. По этой причине автолюбителям особенно важно знать, как правильно выбирать впускные и выпускные клапаны и продукции какой фирмы отдавать предпочтение.
Выбор новых клапанов и экскурс по производителям
Подобрать новые клапаны несложно, если их седла еще в сносном состоянии. Если седла зашлифовались, то стоит заменить и их тоже. Есть и другой вариант: выбрать клапана с тарелками чуть большего диаметра. В отдельных случаях кончики стержней придется подпиливать. Автолюбитель может выбрать клапаны самостоятельно, но последнее слово будет за мастером, который займется их установкой. Клапаны можно выбирать по:
- Номеру двигателя;
- Каталожным номерам запчастей;
- Геометрии: общей длине клапана, стержня, диаметру тарелку, углу седла.
Третий вариант сложно назвать надежным, но если приходится искать клапаны для специфической техники, то он может оказаться единственным. Напоминаем, что впускные и выпускные клапаны имеют разную геометрию и разные каталожные номера. Они не взаимозаменяемы, так что будьте внимательны при поиске запчастей для ремонта.
При серьезном тюнинге двигателя автолюбители придется не только модернизировать головку блока цилиндров, а также установить новые цилиндры и распредвал/ы, но и подобрать впускные и выпускные клапаны большего размера. Здесь также необходимо вести поиск по геометрии. Клапаны для тюнинга могут конструктивно отличаться от стандартных изделий. К примеру, некоторые модели имеют полые стержни, которые заполняются металлическим натрием для лучшего охлаждения. Тарелки таких клапанов обычно вогнутые.
Подбирая выпускные и впускные клапаны для ремонта двигателя, автолюбитель может выбрать оригинальные комплектующие или так называемые аналоги. Последние обычно обходятся дешевле оригиналов, но бывают исключения. Здесь действует простое правило: низкая цена не всегда соответствует высокому качеству. Мы не рекомендуем экономить на запчастях. Лучше отдать свое предпочтение клапанам таких фирм:
Неплохие отзывы покупателей собирают клапаны Osvat (Италия), Autowelt (Германия) и AMP (Польша). Чем известнее фирма, тем выше шанс нарваться на подделку. Это справедливо для немецкого TRW, тем временем как под именами намного менее известных брендов Rocky и Kolbenschmidt подделки встречаются редко. Подлинность запчастей некоторых фирм можно проверить по защитным кодам, голограммам и QR-кодам. Категорически не рекомендуем покупать клапаны на рынках или в магазинах с плохой репутацией.
Вывод
От исправности впускных и выпускных клапанов, а также смежных с ними элементов, как-то направляющих и пружин, зависит работоспособность двигателя, его мощностные показатели и экономичность. Ресурс клапанов велик, а как показывает практика, многие автолюбители не сталкиваются с необходимостью их замены на протяжении всего периода эксплуатации личного транспорта. Однако если они вышли из строя, то водитель должен действовать незамедлительно. Поиск новых запчастей обычно не занимает много времени. Установку клапанов лучше доверить специалистам.
Какой клапан больше впуск или выпуск – АвтоТоп
Впускной клапан малого диаметра — уменьшение количества впускаемого воздуха
Впускной клапан большого диаметра — увеличение количества впускаемого воздуха
Пружина с переменным шагом навивки
Двойная пружина
В четырехтактных бензиновых и дизельных двигателях клапаны располагаются в головке цилиндров. Через впускные клапаны проходит только смесь воздуха и топлива, поэтому они подвергаются воздействию более низких температур, чем выпускные клапаны. У впускного клапана тарелку делают большего диаметра, чем у выпускного, так как давление на впуске меньше давления на выпуске. Двигатели разных моделей отличаются количеством клапанов. Двигателям с двумя и более впускными клапанами свойственно лучшее наполнение цилиндров. Дополнительный впускной клапан увеличивает проходное сечение впускных каналов, следовательно, в цилиндр поступает больше топливовоздушной смеси. То же самое касается и выпускных клапанов: два клапана на выпуске позволяют увеличить выпускные каналы, что облегчает выход отработавших газов из цилиндра. Клапан подвергается очень значительным нагрузкам даже при нормальном режиме работы двигателя. Для повышения стойкости клапана к износу, прожиганию и коррозии его поверхность подвергается специальной обработке. Так, например, впускные клапаны изготавливаются из стали с хромом или кремнием для повышения их износостойкости и коррозионной стойкости или магния и никеля для повышения прочности. Выпускные клапаны сделаны из сплавов на основе никеля. Клапан состоит из двух частей: стержня и тарелки. Клапан установлен в отверстии в головке цилиндров. Тарелка плотно прилегает к седлу. В процессе работы головка цилиндров нагревает седло. Часть тепла передается стержню клапана, а от него — направляющей втулке, поэтому стержень является самой холодной частью клапана. Седло клапана и направляющая втулка охлаждаются жидкостью, протекающей по рубашке вокруг впускных каналов. Открываясь и закрываясь, клапан поворачивается на небольшой угол, поэтому каждый раз он садится на новое место.
Для начала расскажу в чем преимущество ГБЦ (головки блока цилиндров) с 4 клапанами на 1 цилиндр в сравнении с 2 клапанами. Расположение двух впускных и двух выпускных клапанов в камере сгорания позволяет увеличить площадь клапана (клапанов), но вопреки тому, что многие считают, это не реальная причина в превосходстве. Для примера, давайте сравним 1.7 литра Lotus/Ford Twin Cam раллийный двигатель (2 распредвала, 4 цилиндра, 8 клапанов). Впускной клапан имеет размер 43 мм (площадь -14.45 см2)
И знаменитый двигатель, разработанный гоночным инженером Кейтом Даквортом (один из основателей компании Cosworth, название Cosworth родилось из объединения фамилий (COStin and duckWORTH). Cosworth являлся подразделением Ford Motor Company, но на данный момент приобретён Джеральдом Форсайтом и Кевином Колховеном).
Раллийный двигатель Cosworth BDA 1.7 литра (2 распредвала, 4 цилиндра, 16 клапанов) Размер впускных клапанов 31 мм, площадь клапанов на впуске составляет 15 см2 – что является очень близко к площади впускного клапана мотора Lotus/Ford Twin Cam (14.5 см2).
Оба двигателя были разработаны для гонок и выдавали максимальную мощность на 8000 оборотах; 190 сил Cosworth и 170 сил Lotus/Ford . В ралли автомобили с двигателем Cosworth были всегда намного быстрее (на любом покрытии) из-за того, что этот мотор имел на 1000 оборотов более широкий диапазон мощности и значительно лучше не только на верхах, но и на низких оборотах. А причина в том, что имея практически идентичную площадь клапанов двигатель Cosworth имеет на 44% больше клапанную щель при любом подъеме клапанов. По этой причине моторы с 4 клапанами на цилиндр используют распредвалы с менее широкой полной фазой (duratoin), а это в свою очередь улучшает средний диапазон без ущерба для максимальной мощности.
Чтобы это лучше понять почему на 44% больше, предлагаю рассмотреть иллюстрацию которая использовалась в посте о распредвалах (Распредвал часть 2)
В первой части мы остановились на геометрии седла клапана.
Геометрия седла клапана
Основной закон – седло впускного клапана, это номер 1, от чего зависит эффективность ГБЦ пока клапан не будет иметь подъем 0.18 (18%) от его диаметра, а на стороне выпуска еще больше, до 0.35 от диаметра выпускного клапана.
Однофасочное седло с углом 45* градусов имеет эффективность 56% при подъеме клапана 6.35 мм. Если выполнить правильную трех-фасочную, четырех или даже пяти-фасочную геометрию седла то эффективность реально повысить до 84% (средние значения от 76% до 84%). Стандарт трех-фасочная геометрия (наиболее популярная) 45* — запорная фаска, 30* — верхняя, соединяет основную фаску с днищем камеры сгорания. Нижняя фаска имеет угол 60* соединят 45* с горлом канала.
На этой схеме указаны размеры, как для впускного, так и выпускного каналов хорошо работающие и дающие великолепный результат. Также указаны оптимальные размеры клапанов (впуск и выпуск). Как вы заметили, на выпуске, запорная фаска седла шире, это необходимо чтобы обеспечить хороший теплоотвод от тарелки клапана. Выпускной клапан при этом имеет более узкую 45* фаску, что необходимо для борьбы с образованием нагара. Переход от запорной фаски седла к каналу осуществляется широкой 60- градусной нижней фаской, многие специалисты используют дополнительно для 4-х – 5-ти фасочной геометрии седла канала еще фаски с углом 75* (80 градусов) которые более плавно соединяют запорную фаску с каналом.
Очень большой положительный эффект на продувку дает дополнительная 30* фаска на клапанах
Очень важно не только угол (об это ниже) но позиция, расположение клапана в седле и ширина запорной фаски
Для впуска многие специалисты любят совмещать седло, как можно выше (в направлении камеры сгорания) с клапаном. На выпуске такое расположение неприемлемо, это сильно ухудшит надежность и может привести к прогару клапана – по центру то что надо.
Ширина запорной фаски, на впускном канале оптимальным является 1.0 мм – 1.55 мм. Более узкая фаска, в основном улучшает продувку канала, но при этом ухудшает прочность, надежность. Выпускные каналы работают при экстремально высоких температурах, поэтому им необходима более широкая запорная фаска, для того чтобы увеличить пятно контакта и лучше отводить тепло через седло канала (оптимальные размеры указаны на схеме).
Для примера привожу результаты которые были получены на сток 1.6 литра двигателе с размером впускного клапана 35.5 мм при проведении выше указанных процедур
Результат – плюс 14 CFM, это даст прибавку в мощности более 10 сил.
Альтернативные углы геометрии седла канала
45* градусов запорная фаска седла впускного клапана наиболее используемая, но часто используют и другие углы. Для примера, если у вас задушен мотор, вам надо больше воздуха (flow) не важно, что результат даст только пиковую мощность на 9000 оборотах – используется угол 50-55*, такой угол дает наилучшую продувку при высоком подъеме клапана т.к. позволяет сделать более плавное соединение с максимально возможно увеличенным горлом канала. Такие углы применяют инженеры при постройки гоночным моторов 358- ci V8 для NASCAR.
Плюсы – максимальные показатели продувки при высоко поднятом клапане, минусы – пиковая мощность и самое главное, чем больше угол (больше 45*) запорной фаски, тем меньше прочность, намного хуже надежность. Для турбо моторов такой вариант ПРОСТО НЕ ПРИЕМЛЕМ из-за высоких температур. Если Вы строите мотор рассчитанный на высокие обороты, то лучшие результаты (из-за реверса потока воздуха) дает верхняя (top cut) фаска не 30*, а 38* градусов
Если ваш мотор очень голодный до воздуха или вы желаете существенно улучшить характеристики ГБЦ не на высоких оборотах, то есть хороший вариант – использовать 30⁰ запорную фаску на седле впускного клапана. Предлагаю этот вариант рассмотреть более подробно
Как видно из рисунка, при одинаковом подъеме, клапанная щель при использовании запорной фаски с углом 30* больше, а значит и количество воздуха будет поступать больше (а это то, что надо для повышения момента). Такое улучшение на впуске мы имеем в плоть до подъема клапана 7.5 мм, максимальная прибавка составляет более 20% при подъеме клапана 1.25-2.5 мм. Такая геометрия дает эффект, при малых подъемах клапана, более большого канала (и конечно и размера клапана) но только при этом низы и середина не ухудшается, а только улучшается.
Это похожий эффект, как при использовании распредвала с большим подъемом, как вы помните я описывал, что сам по себе подъем кулачка не увеличивает максимальное значения проходящего потока воздуха при подъеме выше 0.25 от диаметра клапана, но сильно увеличивает наполнение при малом подъеме. Происходит это за счет увеличения скорость подъема клапана и не более.
Встречается много серийных машин с такой геометрией седла клапана, да, наверное, все дизельные двигателя работают на такой геометрии, но встречаются и бензиновые моторы. На первый взгляд это все кажется просто, но на самом деле есть и сложности (решаемые).
С одной стороны, чем меньше угол, тем лучше клин, который улучшает герметичность пары седло-клапан, но при этом, чем более плоское седло, тем больше проявляется тенденция, что клапан на высоких оборотах начнет отпружинивать при закрытии. Однозначно, чем более плоский угол запорной фаски седла канала, тем лучше продувка, наполнение (flow) при небольших подъемах клапана, но без серьезного изучения этого вопроса ситуация может только ухудшится при использовании распредвалов с подъемом кулачка выше 12 мм. Если ваша цель высокие обороты (8000+++) и распредвал с высоким подъемом кулачка 12.5++мм – 50*-55* градусов угол запорной фаски решит проблему отпружинивания клапана и как следствие больше мощность.
На данной картинке указано схематично, как сделать седло впускного канала с углом 30*
Такая геометрия седла впускного клапана дает потрясающие результаты на продувочном стенде, но скорее всего возникнут проблемы с герметичностью (клапан-седло) на оборотах намного выше 5000. Особенно это проявляется на высоко форсированных моторах, которые испытывают проблему с высокой температурой клапана при максимальных нагрузках и как следствие деформация (изгиб клапана при закрытии в следствии его расширения). По этой причине такую геометрию не рекомендуется использовать на выпускном седле клапана.
Есть несколько вариантов решения этой проблемы (ВЫСОКАЯ температура клапана, расширение –деформация). Один из вариантов нанести на лицевой стороне тарелки впускного клапана канавку. Вот вариант как это сделать
Так же не будет лишним использовать клапанные пружины на 10% жестче, чем необходимо для седла с углом 45*. При использовании такого метода David Vizarrd’s – известный американский спец в области постройки гоночных моторов (кстати, он проводит очень полезные семинары, как готовить ГБЦ) делал великолепные гоночные моторы.
Другой вариант – использование специального термо покрытия на клапана, которое снижает температуру последнего (значительно)
Вообще, проблема с клапанами при высокой температуре частое явление даже на сток моторах, особенно турбо версии. При их тюнинге, часто этот вопрос остается забытым, а это не только деформация и как следствие плохая герметичность, пропуски зажигания, детонация, такое часто встречается к примеру на европейских моторах VAG 2.0 turbo TSI – накачав мотор супер прошивками от Брендовых тюнерских фирм, но при этом не позаботившись об охлаждении воздуха, мотора и т.д. как решение пытаются эту проблему решить заменой клапанных пружин на более жесткие. Ну да ладно, это у же не по теме
Выпускной клапан – элемент ГРМ, при открытии которого происходит удаление (выпуск) отработавших газов из камеры сгорания двигателя.
Выпуск газов происходит тогда, когда поршень в цилиндре двигателя направляется от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ). В процессе работы двигателя выпускные клапаны подвергаются значительным термическим нагрузкам, так как постоянно контактируют с раскаленными отработавшими газами. Головка клапана при работе ДВС может разогреваться в пределах 600-800 градусов.
После окончания такта впуска и сжатия главным требованием в момент возгорания топлива в камере сгорания является максимальная герметичность. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Когда поршень принял на себя энергию расширяющихся газов после возгорания топливно-воздушной смеси, из камеры сгорания необходимо удалить эти отработавшие газы. Герметизация камеры на данном этапе уже не нужна. За удаление выхлопных газов в конструкции газораспределительного механизма отвечает выпускной тарельчатый клапан, который размещен в головке блока цилиндров (ГБЦ).
На такте впуска создается разряжение, а на такте выпуска в рабочей камере сгорания двигателя образуется повышенное давление. После сгорания смеси топлива и воздуха отработавшие газы покидают камеру сгорания через открывающийся в нужный момент выпускной клапан. Сила давления позволяет газам с легкостью выйти из рабочей камеры. Этим объясняется меньший размер тарелки выпускного клапана сравнительно с тарелкой впускного клапана. На такте впуска разрежение по своей силе меньше давления на выпуске. Выхлопные газы практически выталкиваются наружу через открытый выпускной клапан.
Эффективная герметизация камеры сгорания стала возможна благодаря использованию тарельчатых клапанов в конструкции ГРМ современных ДВС. Устройство клапана простое, элемент имеет тарелку и стержень. Фаска плавно переходит в стержень, что делает клапан достаточно прочным. Коническая форма перехода заметно снижает сопротивление выхлопных газов при выходе из камеры, а также дополнительно улучшает герметизацию.
Открытие выпускного клапана происходит благодаря полученному усилию от кулачка распределительного вала. Стержень (шток) клапана находится в направляющей втулке клапана, которая запрессована в ГБЦ. Кулачок распредвала нажимает прямо на шток клапана или на рокер, от которого усилие передается на стержень. В ГБЦ также размещено седло клапана. Седло клапана представляет собой углубление, которое по своей форме соответствует верхней части тарелки клапана. Тарелка клапана и седло клапана с филигранной точностью прижимаются друг к другу. Данное решение позволяет обеспечить максимальную герметичность в тот момент, когда закрыты впускной и выпускной клапаны. Главной задачей становится исключить прорыв газов из камеры сгорания.
На верхней части стержня клапана выполнена специальная выточка. Указанная выточка является местом установки «сухаря». Данный «сухарь» представляет собой коническое кольцо, которое разрезано на две равных части. Решение необходимо для крепления тарелки пружины клапана. Если открытие клапана осуществляется за счет «толчка» от кулачка распредвала, то закрытие клапана реализовано посредством усилия пружины клапана. Указанная пружина закрывает клапан, плотно прижимая тарелку к седлу. Дополнительно имеется механизм, который осуществляет проворачивание клапана. Это необходимо для равномерного износа клапана и очистки клапана от нагара.
В процессе эксплуатации любого ДВС тарелка клапана и седло покрываются нагаром. Избежать нагара на клапанах практически не представляется возможным. Наличие нагара вызывает постоянный перегрев выпускного клапана. Рано или поздно опорная поверхность клапана начинает выгорать, что приводит к потере герметичности в камере сгорания. Результатом становится прогрессирующая потеря мощности ДВС, затрудненный пуск и т.д.
Появившиеся от перегрева микротрещины на тарелке клапана постепенно увеличиваются, так как раскаленные газы под давлением начинают прорываться наружу из камеры сгорания. Головка клапана в таких условиях деформируется и далее разрушается. Выход клапана из строя фактически означает полную потерю цилиндром двигателя своей функциональности. После замены обязательно требуется притирка клапана к седлу для максимально точного прилегания. Игнорирование процедуры или некачественное выполнение притирки клапанов приведет к быстрому выходу нового клапана из строя.
Вполне очевидно, что перегрев является серьезной проблемой выпускных клапанов. Для изготовления выпускного клапана используется особая хромоникельмолибденовая сталь. Основой является никель, который повышает устойчивость выпускного клапана к механическому разрушению. Сталь для изготовления клапанов отличается высокой жаропрочностью.
Следующим шагом по снижению термонагруженности выпускного клапана становится его конструкция, которая отличается от устройства впускных клапанов.
Стержень выпускного клапана полый, полость заполнена металлическим натрием. Натрий расплавляется и перетекает внутри стержня клапана, что позволяет улучшить теплообмен и равномерно распределить нагрев.
Среди наиболее распространенных способов защиты отмечены:
- лазерное легирование;
- метод плазменно-порошковой наплавки;
- наплавка токами высокой частоты;
Плазменно-порошковая наплавка считается одним из наиболее экономически и практически оправданных решений. Для такой наплавки используют различные металлические порошки, в основе которых лежит кобальт или никель. Технологии нанесения покрытия разные, но главной задачей каждого из указанных способов становится наплавление тонкого слоя защиты на поверхность клапана для повышения износостойкости, устойчивости к появлению коррозионных процессов и механическому разрушению.
Назначение впускного клапана двигателя. Материалы изготовления клапанов, стержень, тарелка, седло клапана. Основные неисправности клапанного механизма.
Как самому определить прогар клапана двигателя. Основные симптомы погоревшего клапана, точное выяснение причин троения мотора. Диагностика, полезные советы.
Назначение клапана ГРМ. Впускной и выпускной клапаны, устройство и особенности детали. Схемы компоновки и привод клапанов двигателя внутреннего сгорания.
Почему гнет клапана при обрыве приводного ремня или цепи: причины обрыва. Как узнать, гнет ли клапана на конкретном бензиновом или дизельном двигателе.
Назначение газораспределительного механизма. Составные элементы ГРМ на четырехтактном поршневом двигателе, отличительные особенности конструкции механизма.
Принцип действия системы изменения фаз газораспределения VVT. Гидроуправляемая муфта, ступенчатое регулирование VVTL-i, VTEC. Электромагнитный привод ГРМ.
Почему впускной клапан больше выпускного?
Почему впускной клапан больше, чем выпускной клапан ? Инженеры имеют особое значение в проектировании всего, как и клапаны.
Эта статья содержит следующее:
Почему впускной клапан больше выпускного
Влияние сопротивления воздушному потоку
Влияние оборотов двигателя
1 .Почему впускной клапан больше выпускного
Клапан открывается кулачком, а пружина клапана закрывается. Когда смесь необходимо всосать в цилиндр, открывается впускной клапан ; когда необходимо отвести отработавший газ после сгорания, выпускной клапан открывается.
Поскольку всасываемый воздух «всасывается», а выхлопные газы «выталкиваются», всасываемый воздух является более трудным, чем выхлопной газ, и чем больше всасываемого воздуха, тем лучше сгорание и выше производительность двигателя.Всасываемый воздух засасывается вакуумом, а выхлопные газы выталкиваются наружу, выталкивая выхлопные газы. Следовательно, выхлоп легче, чем впускной. Следовательно, чтобы получить больше свежего воздуха для участия в сгорании, необходимо больше всасываемого воздуха. По этой причине впускной клапан должен быть больше, а общий размер не изменился, а выпускной клапан можно сделать только меньше. Следовательно, впускной клапан обычно имеет больший размер, чем выпускной, чтобы уменьшить трудность всасывания и увеличить количество всасываемого воздуха.Некоторые просто проектируют дополнительный впускной клапан, который имеет конструкцию только с 3 клапанами (2 в 1 ряд) и 5 клапанами (3 в 2 ряда).
2. Влияние сопротивления воздушному потоку
Теоретически величина накачивания и количество выхлопа равны, а время открытия и закрытия выпускного клапана и время открытия и закрытия впускного клапана также равны .
Но это не так, потому что дроссельная заслонка регулирует скорость вращения, открытие и закрытие клапана большие и маленькие, а баллон должен быть заполнен смесью воздуха равного атмосферному давлению (около 1 кг / см2) когда всасывание завершено.Но когда газ проходит через впускную трубу и впускной клапан, он испытывает сопротивление. Чтобы преодолеть эти сопротивления и позволить смеси течь с определенной скоростью, часть давления должна поглощаться волной, поэтому давление воздуха в цилиндре всегда ниже атмосферного. Плотность газа изменяется с давлением, плотность низкого давления уменьшается, а фактический вес смешанного газа уменьшается. Чтобы устранить и уменьшить влияние сопротивления воздушного потока, площадь поперечного сечения воздушного потока на впускном клапане должна быть увеличена, то есть площадь воздушного клапана должна быть увеличена.В случае разреженного воздуха в области плато следует увеличить площадь воздухозаборника, иначе двигатель не достигнет своей номинальной мощности в этих областях.
3. Влияние частоты вращения двигателя
Если исходный размер дыхательных путей не изменился, давление всасывания также изменится в зависимости от скорости и нагрузки. Когда дроссельная заслонка полностью открыта, скорость меняется в зависимости от нагрузки. Предполагая, что вес накачивания равен 1, скорость увеличивается с 700 до 2 в минуту, а давление снижается с 0.95 до 0,80 при 100 об / мин, что показывает, что цилиндр
Плотность стержневого воздуха снижена, и воздушный поток не может справиться с необходимостью количества надуваемого воздуха. Потому что, когда скорость вращения увеличивается втрое, скорость движения поршня также увеличивается втрое, и скорость воздушного потока также увеличивается втрое, чтобы гарантировать, что такой же весовой остаток воздуха входит в цилиндр. Однако из-за увеличения силы в дыхательных путях на высоких скоростях поток воздуха не может быть увеличен в той же пропорции. То есть эффект надувания лучше при замедлении, и в результате среднее эффективное давление и крутящий момент также больше (крутящий момент пропорционален среднему эффективному давлению).
Если вы хотите купить выпускные клапаны, обращайтесь в GRWA.
Закрытие выпускного клапана — обзор
3.3.1 Основные пути сжигания бензина HCCI
Современная концепция сжигания HCCI происходит от ATAC, которая была предложена Onishi et al. [1] и Noguchi et al. [2]. После этой новаторской работы Найт и Фостер применили этот новый процесс сгорания в четырехтактном одноцилиндровом двигателе в 1983 году [4]. После этого Тринг дополнительно исследовал влияние внешней системы рециркуляции отработавших газов и соотношения воздух / топливо на характеристики двигателя [162].В этой работе Тринг ввел терминологию «воспламенение от сжатия с однородным зарядом (HCCI)», которая с тех пор широко используется многими другими исследователями для описания этого типа процесса сгорания как в бензиновых, так и в дизельных двигателях. В 1992 году Stockinger et al. [163] впервые показали, что четырехцилиндровый бензиновый двигатель может работать с самовоспламенением в очень ограниченном диапазоне скоростей и нагрузок с использованием более высокой степени сжатия и предварительного подогрева всасываемого заряда. Ключевым препятствием для достижения HCCI / CAI сгорания с коммерческим бензином и другими бензиноподобными видами топлива с высоким октановым числом является повышение температуры смеси до критической точки самовоспламенения или разложения до достижения ВМТ.Помимо предварительного нагрева всасываемого заряда и увеличения степени сжатия, улавливание остаточного газа на основе изменения фаз газораспределения и / или подъема стало широко используемой стратегией управления. В этом методе тепловая энергия остаточного газа используется для повышения температуры смеси, чтобы управлять фазированием горения путем модуляции фракции остаточного газа. Следует отметить, что в остаточном газе содержится не только тепловая энергия, но и масса CO 2 , водяного пара, CO, несгоревших углеводородов и радикалов или промежуточных соединений.Эти частицы частично изменят пути реакции и скорость реакции в следующем рабочем цикле. Эти эффекты, включая эффект теплоемкости, эффект разбавления и химический эффект, также можно использовать для управления воспламенением и сглаживания скорости горения при больших нагрузках [164].
В большинстве случаев необходимые условия для сгорания бензина HCCI создаются за счет внутренней рециркуляции выхлопных газов (IEGR). Горячий рециркулирующий выхлопной газ увеличивает температуру наддува, в результате чего температура цилиндра достигает температуры самовоспламенения к концу такта сжатия.В целом, IEGR можно разделить на пять категорий на основе различных форм регулируемого срабатывания клапана и повторного дыхания выхлопных газов. Первая категория улавливания остаточного газа основана на отрицательном перекрытии клапана (NVO) с более ранним закрытием выпускного клапана и более поздним открытием впускного клапана. NVO иногда сопровождается более короткой длиной события клапана и меньшим подъемом клапана. Метод отрицательного перекрытия клапана был реализован за счет использования полностью гибких систем срабатывания регулируемого клапана. Регулируя время открытия / закрытия клапана, можно контролировать долю выхлопных газов и реальную степень сжатия [165].Однако у подхода с отрицательным перекрытием клапанов есть недостаток. Поскольку остаточные газы повторно сжимаются и расширяются, могут происходить потери тепла от горячих остатков к стенкам цилиндра. В результате образуется небольшой насосный контур. Второй тип IEGR называется поздней рециркуляцией выпускного отверстия (повторное дыхание) из выпускного отверстия [166]. Это означает, что второй подъем выпускного клапана происходит в конце фазы впуска после подачи свежего воздуха в цилиндр. Сгоревший газ поступает непосредственно из выхлопного отверстия.Опять же, количество внутренней рециркуляции отработавших газов регулируется продолжительностью открытия второго подъема выпускного клапана. Третий метод IEGR использует второе открытие по крайней мере одного выпускного клапана на ранней фазе такта впуска. Сгоревший газ всасывается прямо из выпускного отверстия в цилиндр и смешивается со свежим воздухом со стороны впуска. Скорость рециркуляции выхлопных газов в основном регулируется продолжительностью подъема второго выпускного клапана [167]. Четвертый метод IEGR известен как повторное дыхание выхлопных газов через впускной канал.Этот метод работает за счет возврата сгоревшего газа по крайней мере в одно впускное отверстие путем раннего открытия, по крайней мере, одного впускного клапана (как показано вторым подъемом на диаграмме). Время и продолжительность открытия определяют количество остаточного газа для следующего цикла. Во время такта всасывания в цилиндр подается сгоревший газ и свежий воздух [168]. Поздняя рециркуляция через выпускной канал с двойным открытием выпускного клапана, а также стратегия рециркуляции через впускной канал обеспечивают более низкую температуру в цилиндре.Рециркуляция во впускном отверстии приводит к минимальному расслоению свежего воздуха и остаточного газа за счет гомогенизации остаточного газа, начиная с того, что он нагнетается во впускное отверстие. Последний метод IEGR — это частичная параллельная рециркуляция выхлопных окон. Он применяется при последующем закрытии выпускного клапана и закрытии впускного клапана [169]. В представленном исследовании HCCI для бензина широкая гибкость клапанного механизма используется для определения необходимой изменчивости фаз газораспределения и времени перехода между различными режимами работы клапанного механизма.Однако на изменение активности клапанного механизма в значительной степени влияет температурный режим и пространственное распределение остаточного газа из предыдущего цикла сгорания, что дополнительно влияет на самовоспламенение следующего цикла [170]. Ян и др. [171–173] предложили концепцию сжигания HCCI с оптимизированным кинетическим процессом (OKP), в которой для предварительного нагрева всасываемого воздуха используется отработанная тепловая энергия, содержащаяся в выхлопных газах и хладагенте. Комбинируя технологии управления температурой впуска / выпуска, VVT и VCR, можно получить относительно высокий указанный тепловой КПД в более широком рабочем диапазоне.
После многих лет исследований сгорание бензина HCCI все еще страдает из-за узкого диапазона рабочих нагрузок двигателя. Для решения этой проблемы были использованы такие методы, как увеличение впускного заряда [174,175], внешняя система рециркуляции отработавших газов в сочетании с внутренней рециркуляцией отработавших газов [176–178], искровое зажигание [179,180] и другие методы, которые использовались для увеличения рабочей нагрузки. В целом, горение HCCI, работающее без искры, необходимо для стабильной работы с низкими выбросами NO x , в то время как искровое сгорание может улучшить стабильность горения HCCI и расширить полезные рабочие диапазоны HCCI.Кроме того, переключение режимов между HCCI и традиционным сгоранием SI было реализовано [181, 182], чтобы включить этот усовершенствованный режим сгорания в практический коммерческий двигатель. Например, Шавор исследовал переход между режимами SI / HCCI / SI на испытательном двигателе, оборудованном системой срабатывания регулируемого клапана [183]. Zhang et al. разработала четырехклапанную систему с регулируемым приводом, которая способна независимо управлять подъемом и временем открытия впускного и выпускного клапана [184]. Он был включен в головку блока цилиндров специальной конструкции для одноцилиндрового исследовательского двигателя и испытательный стенд для бензиновых двигателей 4VVAS-HCCI.Экспериментальные исследования проводились с целью изучения стратегий динамического управления переходами между режимами HCCI и SI рабочих границ HCCI. Было обнаружено, что переключение с HCCI на работу SI менее проблематично, чем переключение с SI на HCCI, а также было продемонстрировано, что время зажигания и время закрытия выпускного клапана имеют наибольшее влияние и могут быть оптимизированы для переключения режимов [185].
Математический алгоритм для головки цилиндров, определяющий характеристики двигателя — CarTechBooks
Головки цилиндроввключают в себя гораздо больше, чем просто соотношение коромысел и высоту установки клапанной пружины.В этой главе я обсуждаю формулы для преобразования объемов камеры сгорания, соотношения выхлопных газов к впуску, площади завесы клапана, площади поперечного сечения портов и различных других факторов, которые влияют на потенциал производительности любой головки блока цилиндров. Вы можете увидеть здесь кое-что новое, но все это не сложно, и вам может быть интересно провести мозговой штурм по различным комбинациям, которые могут применяться к вашему конкретному проекту производительности.
Помимо сумматоров мощности, головки блока цилиндров с высокими эксплуатационными характеристиками — это самое важное вложение, которое вы можете сделать.Внимательно обратите внимание на формулы в этой главе. Они помогут вам понять и оценить широкий выбор головок цилиндров, доступных для вашего проекта производительности.
Изменение размеров камеры сгорания
Камеры сгорания в головке блока цилиндров смонтированы с целью расчета степеней сжатия и проверки равного объема в каждой камере. Для формулы степени сжатия (см. Главу 3) вам необходимо преобразовать кубические сантиметры в кубические дюймы.Есть несколько вариантов преобразования.
Размер камеры = измеренный куб.см x 0,0610237
Это много цифр, которые нужно запомнить, и много ключей, которые нужно нажать на вашем калькуляторе, поэтому большинство производителей двигателей используют следующую альтернативную формулу.
Размер камеры = измеренный куб.см ÷ 16,4
Точное преобразование — 16,387064, но разница незначительна и обычно не влияет на окончательный расчет. Ознакомьтесь со следующими примерами, используя все три версии коэффициента преобразования для расчета размера (в кубических дюймах) камеры сгорания объемом 64 куб.
64 x 0,06 10237 = 3,9055 Ки
64 ÷ 16,4 = 3,9024 Ки
64 ÷ 16,387064 = 3,9055 Ки
Обратите внимание, что 16,4 — это округленное число, которое легче всего держать в голове. На практике разница настолько мала, что не повлияет на расчет степени сжатия, поэтому большинство людей выбирают ярлык.
Оценка объемов портов
Здесь нет реальных формул для работы, но количественное определение разницы между кубическими сантиметрами порта головки блока цилиндров важно, если вы выполняли какие-либо работы по переносу или очистке портов.Для большинства головок цилиндров с высокими характеристиками опубликованы объемы, которые обычно довольно точны. Вы можете проверить их, закрыв каждый порт так же, как камеру сгорания. Установите впускной клапан, используя легкую контрольную пружину и фиксатор, чтобы удерживать клапан в закрытом состоянии. У многих головок есть отверстие в крыше порта, которое просверлено и нарезано резьбой, чтобы принять штифт коромысла над портом. Для обеспечения точности вы должны установить штифт коромысла и его направляющую пластину толкателя (если таковая имеется), чтобы закрыть отверстие на нужную глубину.Затем смонтируйте отверстие, как описано в главе 3. Поскольку впускные отверстия вмещают значительно больший объем, чем камеры сгорания, полезно иметь градуированную бюретку с большей емкостью, скажем, 250 см3, если это возможно. В противном случае вам придется остановить поток контрольной жидкости на нуле и наполнить бюретку один или несколько раз, чтобы завершить работу. Чтобы обеспечить равную работу каждого цилиндра, вы хотите обеспечить равные объемы портов, и поэтому вы должны проверить их, выполняли ли вы какие-либо работы в области порта или чаши клапана.
Многие производители уличных двигателей любят убирать неровности в области чаши чуть выше клапана и согласовывать отверстия портов с впускным коллектором, но они очень осторожны, чтобы не изменить площадь поперечного сечения горловины Вентури клапана там, где прямоугольная или овальный порт превращается в круглую форму прямо над седлом клапана. Все, что требуется — это незначительное прилегание к седлу клапана. Изменение области без знаний и опыта может испортить хороший порт, и вы никогда не узнаете об этом без сравнительной лабораторной работы.Для большинства сборщиков DIY было бы лучше проверить, что у вас уже есть, скопировав все порты и сравнив их в процентах.
Этот порт в разрезе показывает размер измеряемого объема. Проверьте крышу порта на предмет открытых отверстий под штифт коромысла, которые могут быть в вашей конкретной отливке. Перед установкой заткните их шпилькой и герметиком. Не забудьте включить направляющую пластину, чтобы правильно установить глубину шпильки.
Измерьте объем порта так же, как и объем камеры (см. Главу 3).Поскольку объем портов часто в три или более раз превышает объем камеры, вы можете рассмотреть градуированную бюретку с большей емкостью. Интернет-магазины, занимающиеся поставками химикатов, являются хорошим источником.
% разница портов = cc большего порта ÷ cc меньшего порта x 100
Сравните следующие размеры отверстий на головке блока цилиндров с типичными рабочими характеристиками, которая имеет отверстия для чаши и впускной патрубок.
Цилиндр 1 Цилиндр 2 Цилиндр 3 Цилиндр 4
куб.см 190.2 190,8 192,3 191,0
% 100 100,3 101,1 100,4
Все четыре порта расположены близко друг к другу, и незначительных отличий, вероятно, недостаточно, чтобы иметь значение для большинства уличных приложений. Большая разница в цилиндре 3, вероятно, вызвана попыткой подобрать впускной желоб, который потребовал удаления большего количества материала, чем предполагалось. В большинстве случаев вы можете позволить этому скользить, но это может стать проблемой для определенных приложений, таких как Chevy с большими блоками, где вы имеете дело со старым хорошим / плохим портом.В этом случае следует проявлять особую осторожность, чтобы не повредить скоростные характеристики неисправных портов. Это проблематично, потому что все, что вы делаете, скорее всего, увеличит громкость и скорость удара порта. Результаты можно проверить только на стенде потока, что увеличивает ваши расходы. Для большинства уличных приложений вы, вероятно, можете принять объемы портов прямо в литом состоянии, возможно, с небольшой очисткой, пока разница в объемах портов сохраняется на уровне примерно 1 процента.
Расчет площади завесы клапана
При рассмотрении комбинаций двигателей и, в частности, распределительных валов, часто бывает полезно рассчитать площадь завесы клапана для заданного подъема клапана и сравнить ее с предлагаемыми изменениями в процентах.Область завесы клапана — это область окна потока, которое открывается, когда клапан поднимается со своего седла. Допустим, у вас есть впускной клапан диаметром 2,02 дюйма, который открывается на высоту 0,500 дюйма. Какова площадь завесы клапана и насколько она увеличится, если вы откроете клапан до 0,535 дюйма?
Для правильного расчета нельзя ориентироваться на сам диаметр клапана. Вы должны ориентироваться на диаметр потока, с которого начинается фактическое седло клапана. Обычно это примерно на 0,040 дюйма меньше среднего диаметра клапана.Для большинства расчетов довольно точно просто умножить диаметр клапана на 0,98. Затем вычисление становится равным диаметру клапана, умноженному на 0,98 пи, умноженному на значение подъема. Результатом является общая доступная площадь проходного сечения для диаметра потока клапана при заданном подъеме клапана.
Площадь завесы клапана = диаметр клапана x 0,98 x 3,14 x подъем клапана или, как в нашем примере: 2,02 x 0,98 x 3,14 x 0,500 = 3,107 квадратных дюймов
Чтобы найти процент изменения, разделите новый подъем клапана на текущий подъем клапана или проделайте то же самое с рассчитанными площадями завес клапана.
% = 0,535 ÷ 0,500 = 1,07, или 7-процентное увеличение подъема клапана
Теперь площади завес клапана: 2,02 x 0,98 x 3,14 x 0,500 = 3,107 квадратных дюймов 2,02 x 0,98 x 3,14 x 0,535 = 3,325 квадратных дюймов% = 3,32 ÷ 3,10 = 1,07, или 7-процентное увеличение доступного проходного сечения. признать, что это означает не 7-процентное увеличение потока (вы желаете), а, скорее, 7-процентное увеличение потенциального сечения потока. Прирост потока по-прежнему определяется сочетанием доступного проходного сечения, скорости порта и площади поперечного сечения, работы клапана, скорости открытия и других факторов, влияющих на систему впуска.Дополнительная площадь проходного сечения относительно скорости и продолжительности открытия клапана предлагает повышенный потенциал для полного заполнения баллона. Увеличение подъема клапана до 0,550 дает 10-процентное увеличение подъема клапана и доступного проходного сечения. Опять же, это означает не 10-процентное увеличение воздушного потока, а 10-процентное увеличение площади проходного сечения и, следовательно, потенциала потока. Любое фактическое увеличение должно быть проверено на стенде потока.
Открытый клапан создает окно потока или так называемую завесу клапана, которая обеспечивает проходное сечение в соответствии с его окружностью при диаметре потока, умноженном на величину общего подъема клапана.Рассчитайте его, используя диаметр внешнего края седла клапана, а не общий диаметр клапана.
На этом виде в разрезе показана область завесы клапана, чтобы вы могли визуализировать окно потока открытого клапана.
Еще одна важная вещь, которую следует учитывать, — это точка насыщения порта относительно площади завесы клапана по сравнению с площадью поперечного сечения порта. Обычно это где-то в среднем диапазоне подъема (примерно 0.От 300 до 0,400 дюйма) для большинства приложений. За пределами этой точки площадь завесы клапана становится больше, чем площадь поперечного сечения порта (с / с), и сам порт становится ограничением. Вы можете определить эту точку по следующей формуле:
Зависимость завесы клапана от точки подъема насыщения порта = подъем клапана x канал, c / с ÷ площадь завесы клапана Пример: для 2,02-дюймового клапана при подъеме 0,400 и площади поперечного сечения порта 2,15 квадратных дюйма, измеренной на выступе порта стена, прилегающая к толкателю.
Площадь завесы клапана = 2,02 x 0,98 x 3,14 x 0,400 = 2,486 квадратных дюйма
Кв / с порта = 1,87 x 1,15 = 2,15 квадратных дюйма Точка насыщения = (0,400 x 2,15) ÷ 2,486 = 0,346 дюйма подъема
Таким образом, подъем на 0,346 дюйма — это точка, в которой площадь завесы клапана точно равна площади поперечного сечения порта. Выше этого подъема клапана поперечное сечение порта становится определяющим фактором пропускной способности. (Чтобы подробнее узнать, насколько это влияет на работу головки блока цилиндров, взгляните на Chevy Small-Block Cylinder Heads by Graham Hansen, опубликованную CarTech.)
Расчет оптимальной площади порта на основе размера клапана
Основная цель головок цилиндров с высокими рабочими характеристиками — обеспечить максимально возможный объемный КПД в самом широком диапазоне оборотов двигателя. Вот почему размеры портов и клапанов так важны, и их так легко испортить без тщательного обдумывания. Площадь поперечного сечения впускного канала (с / с) описывает наименьшую площадь отверстия в плоскости, перпендикулярной потоку перед клапаном. По этому поводу есть две точки зрения.В зависимости от головки цилиндра наименьшее поперечное сечение может фактически соответствовать диаметру трубки Вентури или площади горловины непосредственно над седлом клапана. Это особенно верно, если вы также учитываете дополнительные препятствия в направляющей клапана и штоке клапана. Другие определяют площадь поперечного сечения как точку сужения выше по потоку, рядом с выступом в стенке порта, примыкающим к толкателю. Чтобы определить это, вы измеряете вертикальные и горизонтальные размеры в этой точке и умножаете, чтобы найти площадь.
Порт, c / s Площадь = высота x ширина
Чтобы определить площадь горловины клапана (Вентури), просто измерьте диаметр отверстия горловины над седлом клапана и рассчитайте площадь следующим образом:
Площадь горловины = Pi x радиус2 Площадь горловины = диаметр2 x 0.7854
Головные носильщики утверждают, что площадь поперечного сечения выше по потоку (в самом порту) должна составлять 90 процентов диаметра потока впускного клапана для гоночного двигателя и 0,85 процента для уличного двигателя. Некоторые считают, что 90% — это хорошо во всем. Это основано на диаметре потока клапана на внутренней кромке седла клапана. Это разумное предположение, хотя диаметр горловины непосредственно над седлом клапана может быть даже меньше, и это то, что на самом деле видит воздух. И он не учитывает частичную блокировку, вызванную направляющей клапана и штоком.Однако пока мы просто связываем площадь поперечного сечения порта в самом порту с диаметром потока в седле клапана.
Например, впускной клапан 2,02 дюйма имеет диаметр потока 1,717 дюйма, если мы следуем правилу 85 процентов. Чтобы рассчитать эквивалентную площадь поперечного сечения порта, используйте следующую формулу.
Диаметр потока для уличного двигателя = диаметр клапана x 0,85
2,05 x 0,85 = 1,7425 дюйма
Площадь порта = (диаметр потока 2 ÷ 4) x 3,1417
(1.74252 ÷ 4) x 3,1417 = 2,38 квадратных дюймов
Измерьте диаметр потока клапана на внешнем крае седла клапана с помощью штангенциркуля. Если это невозможно, вы можете оценить это, вычтя 0,040 дюйма из общего диаметра или умножив диаметр клапана на 0,98.
При соотношении диаметров потока 85% диаметр потока требует минимальной площади поперечного сечения в порту 2,38 квадратных дюйма. Чтобы сохранить это в перспективе, обратите внимание, что головка блока цилиндров Air Flow Research объемом 195 куб. См для малоблочного Chevy имеет размер 2.02-дюймовый впускной клапан и площадь поперечного сечения порта 2,21 квадратных дюйма. Это меньше нашего расчета, но близко. Если бы мы использовали правило 90 процентов, для него требуется порт размером 2,59 квадратных дюйма, что даже больше.
Можно предположить, что они держат его плотно, чтобы сохранить скорость порта, и они также могут учитывать ограничение штока клапана. До определенного момента отказ от CFM вместо скорости порта обычно приемлем, потому что скорость перемещает топливный заряд более эффективно, чем площадь.
Расчет минимальной площади порта
Другой способ оценки площади поперечного сечения портов исходит из книги Ларри Атертона «DeskTop Dynos» по дизайну SA-Design. Его формула для расчета минимальной площади поперечного сечения портов предлагает альтернативный метод оценки минимальных требований, основанный на делении объема цилиндра, умноженного на частоту вращения двигателя, на эмпирическую константу, равную 190 000.
Минимальная площадь порта, c / s = (отверстие 2 x ход x об / мин) ÷ 190,000
Двигатель 350 куб. См с диаметром цилиндра 4 дюйма и диаметром 3.Ход 48 дюймов при 6000 об / мин рассчитывается следующим образом:
Площадь = (4,002 x 3,48 x 6000) ÷ 190 000 = 1,758 квадратных дюймов
Это почти идеально с отливкой Chevy 492, имеющей площадь поперечного сечения 1,76 квадратных дюйма. Многие рабочие головки имеют большие площади поперечного сечения портов, потому что они пытаются перемещать как можно больше воздуха, сохраняя при этом скорость порта. Это тонкий баланс, и одни делают это лучше, чем другие. Было бы здорово знать скорость порта в точке дросселирования, но ее редко измеряют за пределами лаборатории двигателя, и вычислить ее будет сложно, особенно с камерой статического давления, расположенной перед бегунком коллектора.Формула Атертона обеспечивает консервативный, но полезный расчет площади порта, позволяющий приблизить минимально допустимое ограничение на основе объема двигателя и числа оборотов в минуту.
Расчет скорости порта
Если вам известна площадь поперечного сечения данного порта, вы можете рассчитать скорость порта на основе диаметра отверстия и скорости поршня при любом заданном числе оборотов в минуту, используя следующую формулу.
Скорость порта fps = (Ps ÷ 60) x (B2 ÷ Ap)
Где:
Ps = скорость поршня в футах в минуту
B = диаметр отверстия в дюймах
Ap = площадь порта в квадратных дюймах
Первая часть формулы преобразует скорость поршня в футы в секунду, а вторая половина связывает площадь отверстия с поперечным сечением порта.Рассмотрим следующий пример. Двигатель 302 куб. См с ходом 3 дюйма, работающий при 4400 об / мин (пик крутящего момента), достигает в этот момент скорости поршня 2200 футов в минуту. Диаметр отверстия составляет 4,00 дюйма, а поперечное сечение порта — 2,44 квадратных дюйма.
Pvel = (2200 ÷ 60) x (4,002 ÷ 2,44) = 240,4 футов в секунду
Оценка пиковых оборотов двигателя по воздушному потоку
SuperFlow Corporation (производители стендов для измерения воздушного потока, стендов для двигателей и стендов для шасси) предоставляет удобную формулу для оценки скорости двигателя при пиковой мощности на основе расхода воздуха и рабочего объема двигателя.Он использует эмпирически полученные константы или коэффициенты VE для расчета максимальной частоты вращения. Уличные двигатели используют коэффициент VE, равный 1,196, в то время как гоночные двигатели используют больший коэффициент, равный 1316. Третий коэффициент, равный 1,256, также предусмотрен для более точно настроенных приложений для улиц и полос.
Измерьте диаметр горловины клапана (трубка Вентури) с помощью штангенциркуля с круговой шкалой или манометра с выдвижной защелкой. Он должен составлять около 90 процентов диаметра впускного клапана.
Для расчета скорости порта измерьте вход и выход из порта и усредните два измерения площади, чтобы получить Ap.Затем введите среднюю скорость поршня и размер отверстия, чтобы найти среднюю скорость порта.
Следует отметить, что эти коэффициенты действительны только в том случае, если у вас есть данные о расходе воздуха для всего впускного тракта при 28 дюймах водяного столба. Это означает обтекаемую головку блока цилиндров с присоединенным впускным коллектором и карбюратором, чтобы испытательный стенд мог взглянуть на всю систему. Допустим, у вас есть двигатель 400 куб. См, и вы можете получить должным образом измеренное значение потока 240 кубических футов в минуту через весь впускной тракт.Рассчитайте прогнозируемую пиковую скорость двигателя на основе следующей формулы и одного из трех факторов VE. В этом примере мы будем использовать фактор улицы / полосы.
Факторы VE
1,196 = стандартный двигатель
1,256 = улично-полосовой двигатель
1,316 = гоночный двигатель
об / мин = (коэффициент VE ÷ рабочий объем 1 цилиндра) x
кубических футов в минутуСначала разделите 400 Ки на 8, чтобы получить рабочий объем одного цилиндра. В данном случае это 50 Ки.
об / мин = (1,256 ÷ 50) x 240 = 6,028
(Для получения дополнительной информации об этой формуле и результатах реальных приложений см. How to Build Max Performance Pontiac V-8s by Jim Hand, опубликованный CarTech.)
Прогноз мощности по воздушному потоку
Другая формула от SuperFlow в том же направлении использует поток воздуха через всю систему для прогнозирования пиковой мощности. Если вы уже получили соответствующие значения расхода и спрогнозировали максимальную скорость вращения двигателя, вы можете использовать то же значение расхода для оценки пиковой мощности. Я впервые узнал об этой простой формуле от бывшего вице-президента SuperFlow Гарольда Беттеса более двадцати лет назад и много раз видел, как его предсказание довольно близко приближалось.SuperFlow разработал коэффициенты мощности для каждого из наиболее широко используемых значений давления при стендовых испытаниях потока. Опять же, помните, что они точны только в том случае, если у вас есть измерения расхода воздуха через всю систему впуска.
Мощность в лошадиных силах = наблюдаемый кубический фут в минуту x коэффициент мощности x количество цилиндров
Мощность потока при водяном коэффициенте в дюймах
0,43 10
0,35 15
0.27 25
0,26 28
Предполагая, что головка блока цилиндров с присоединенным коллектором и открытым карбюратором, мы наблюдаем чистый поток 225 кубических футов в минуту при испытании на стенде потока при 28 дюймах водяного столба. Соответствующий коэффициент мощности равен 0,26.
лошадиных сил = 225 x 0,26 x 8 = 468
Для получения наилучших результатов вы можете проверить номера потоков через несколько разных портов.
Анализ отношения подъема клапана к диаметру
SuperFlow также впервые разработал метод оценки различных диаметров клапанов на основе настроек подъема, которые прямо пропорциональны их диаметру.Отношение подъема к диаметру (L / D) обеспечивает идеальные настройки для испытания подъема клапана, которые позволяют сравнивать поток диаметра клапана на основе общих соотношений. Эти соотношения составляют 0,05: 1, 0,10: 1, 0,15: 1, 0,20: 1, 0,25: 1 и 0,30: 1. Идеальные настройки подъема контрольного клапана получаются путем умножения диаметра клапана на желаемое отношение L / D. (См. Таблицу на стр. 87.) Чтобы точно сравнить клапаны разных размеров, сначала необходимо выбрать общее соотношение L / D. Хорошим выбором будет тот, который дает испытательный подъем клапана, который составляет около 65 процентов от общего подъема клапана, поскольку это точка, в которой происходит наибольший поток относительно времени открытия клапана.
Допустим, вы хотите сравнить клапан 1,94 дюйма с клапаном 2,02 дюйма и знаете, что ваш общий чистый подъем составляет 0,450 дюйма. Умножьте 0,450 на 0,65, чтобы получить подъемную силу 65 процентов. Получается 0,292 подъема. На диаграмме под столбцом впускного клапана размером 1,94 дюйма мы находим отношение L / D 0,15: 1, что рекомендует испытательную настройку подъема 0,291 дюйма. Обратите внимание, что диаметр клапана 1,94 дюйма, умноженный на отношение L / D (0,15), равен 0,291 дюйма.
Цифровой анализатор SuperFlow FlowCom автоматизирует большую часть процесса сбора данных.Программное обеспечение сопоставляет и представляет собранные данные для удобного анализа.
Чтобы провести точное сравнение расхода с 2,02-дюймовым клапаном, вы используете то же отношение L / D, которое указывает на подъем 0,303 дюйма на диаграмме (2,02 x 0,15 = 0,303). Почему больший подъем для большего клапана? Потому что увеличение расхода пропорционально. Тестирование при том же подъеме, что и 1,94-дюймовый клапан, покажет увеличение расхода, но, возможно, не настолько, насколько реально способен выдавать 2,02-дюймовый клапан.
Это может наводить на мысль, что переключать клапаны не стоит. Попросите вашего специалиста по расходам сравнить потоки, используя соответствующее соотношение L / D, чтобы получить точное представление о производительности клапана по отношению к меньшему клапану. Тогда вы действительно будете знать значение расхода большего клапана и сможете принять более обоснованное решение.
Сравнение расхода при различных испытательных давлениях
SuperFlow является основным производителем стендов для испытания воздушного потока и стендового оборудования.Их стандартное испытательное давление (депрессия воды) составляет 25 дюймов, но большинство промышленных тестов производительности проводится при 28 дюймах водяного столба. Для сравнения компания SuperFlow разработала таблицу преобразования чисел расхода при любом испытательном давлении в эквивалентные числа расхода при любом желаемом испытательном давлении.
Следуйте приведенной ниже таблице, чтобы выбрать соответствующий коэффициент преобразования, или выполните математические вычисления, чтобы рассчитать собственный коэффициент. Если у вас есть поток при более низком давлении (обычно это так) и вы хотите преобразовать его в поток при более высоком давлении, разделите более высокое давление на более низкое давление и извлеките квадратный корень, чтобы получить множитель преобразования.
Коэффициент преобразования = √ (более высокое испытательное давление ÷ более низкое испытательное давление)
Вы можете убедиться в этом по графику. Обратите внимание, что в некоторых случаях на диаграмме используется округленное число. Например, преобразуйте расход при 25 дюймах в расход 28 дюймов.
Коэффициент преобразования = √ (28 ÷ 25) = 1,058
SuperFlow округляет это значение до 1,06 на графике. Теперь рассчитайте фактическое преобразование воздушного потока, предполагая поток 245 кубических футов в минуту через впускное отверстие на расстоянии 25 дюймов, и мы хотим преобразовать его в эквивалентный поток при отраслевом стандарте производительности 28 дюймов.
Расход при известном испытательном давлении x коэффициент преобразования = расход при требуемом испытательном давлении
245 кубических футов в минуту x 1,06 = 259,7 кубических футов в минуту при 28 дюймах
Разница минимальная, поэтому использование округленных цифр из таблицы вполне допустимо. Вся работа сделана за вас.
SuperFlow 600 — это наиболее часто используемый стенд для измерения воздушного потока в мире производительности. Он обладает мощностью, точностью и повторяемостью для проверки всех современных головок цилиндров.
Для еще большей точности часто рекомендуется прокачивать головку блока цилиндров с присоединенным впускным коллектором. Некоторые тестеры даже устанавливают карбюратор с заблокированными дроссельными заслонками, чтобы имитировать весь путь впуска.
Программное обеспечениеPerformance Trends ‘Port Flow Analyzer Pro позволяет сопоставлять кривые потока с профилями распределительного вала для создания кривых «площади потока», которые могут помочь вам оценить пригодность порта для крутящего момента и потенциала мощности в лошадиных силах.Он разработан для взаимодействия с электроникой Flowcom компании SuperFlow и автоматическим устройством открывания клапана PT для дальнейшей компьютеризации стендовых испытаний потока.
Теперь предположим, что у вас есть поток 259 кубических футов в минуту, измеренный на 28 дюймах, и вы хотите преобразовать его в поток на 25 дюймах. Просто возьмите величину, обратную известному коэффициенту пересчета. В этом случае:
Обратное = 1 ÷ 1,06 = 0,943
На графике округлено до 0,945. Умножьте 259 кубических футов в минуту на 0,945, чтобы получить 245 кубических футов в минуту.
259 х 0.945 = 244,75 (округляется до 245 куб. Футов в минуту)
В большинстве случаев вы можете полагаться на таблицу для определения коэффициента преобразования, хотя SuperFlow подчеркивает, что более высокая точность достигается при меньшем диапазоне преобразования. Таким образом, сравнение 25 дюймов с 28 дюймами точнее, чем сравнение 10 дюймов с 25 дюймами. Если вы проводите тестирование на проточном стенде SuperFlow, оборудованном цифровым анализатором FlowCom, вы можете просмотреть эти изменения в программном обеспечении. Вы также можете выполнить эти преобразования с помощью программного обеспечения Performance Trends Port Flow Analyzer, которое легко интегрируется с системой FlowCom.
Понимание отношения выхлопа к впуску
Отношение выхлопа к впуску (E / I) часто неправильно понимают. Некоторые до сих пор считают, что это отношение диаметра выпускного клапана к диаметру впускного клапана, но нас не волнует соотношение размера клапана, которое в значительной степени определяется доступным размером отверстия. Отношение E / I — это процентное соотношение, полученное путем деления измеренного потока выхлопных газов на поток во впускном канале при том же подъеме клапана. Это обеспечивает индекс, который можно использовать для сравнения головок цилиндров на основе эффективности потока.
E / I = расход выхлопных газов при одинаковом подъеме ÷ расход на всасывании при одном подъеме
Пример: 197 кубических футов в минуту при 0,400 ÷ 247 кубических футов в минуту при 0,400 = 80% E / I
Хорошие напоры обычно падают где-то в диапазоне от 75 до 80 процентов, но это число обычно варьируется в зависимости от подъемной силы. Он может составлять 80 процентов при среднем подъеме, но только 74 процента при максимальном подъеме, поскольку эффективность порта уменьшается. Если вы можете получить данные о расходе для разных головок, выберите те, которые имеют наилучшее E / I в средней точке ожидаемого подъема клапана.В то время как клапан видит пиковый подъем только один раз за цикл впуска, он видит средний подъем дважды (в некотором смысле), когда он открывается и закрывается. Это ваша точка с наибольшим потенциалом потока, и ее следует использовать с наилучшим возможным соотношением E / I.
Большинство людей никогда не задумываются о многих вещах, обсуждаемых в этой главе, но, тщательно изучив их перед покупкой головок, вы убедитесь, что получите наилучший возможный пакет для вашего конкретного приложения.
Если вам интересно, почему выпускной клапан всегда меньше впускного, ответ прост.На стороне всасывания вы имеете дело с низким давлением и относительно медленными скоростями. Выпускной клапан работает при высокой температуре, высоком давлении и большей скорости. Мы должны уговорить смесь в цилиндр на стороне впуска, но на стороне выпуска она не может дождаться выхода.
Написано Джоном Бэктелом и опубликовано с разрешения CarTechBooks
ПОЛУЧИТЕ СДЕЛКУ НА ЭТУ КНИГУ!Если вам понравилась эта статья, вам понравится вся книга.Нажмите кнопку ниже, и мы отправим вам эксклюзивное предложение на эту книгу.
Угол для мощности
Угол для силы
Для хорошей работы клапана, все дело в градусах
Как и большинство вещей в жизнь, ее детали имеют значение. Вы могли не подумать, что ничтожный градус здесь или там может дать больше лошадиных сил, когда дело доходит до клапана работа, но в этих углах есть сила.
В двигателях используются клапаны для контролировать воздушный поток как для впускной, так и для вытяжной систем.При герметизации цилиндра давление также важно, производители двигателей знают, что правильные углы при работе с клапаном может иметь огромное влияние на воздушный поток. И все мы Знайте, что воздушный поток — это ключ к созданию мощности. Увеличьте поток воздуха мимо этих казалось бы незначительные клапаны и вы сделаете больше мощности. Это так просто.
Время посадки
Поскольку расход уменьшается в любое время, когда требуется воздух для изменения направления, имеет смысл создать как можно более плавный переход за клапанами.Имея это в виду, десятилетия строителей гоночных двигателей обнаружили, что многоугольные клапаны делают обманывать.
Фактическое седло клапана угол обычно составляет 45 градусов. Со стороны камеры сгорания 45-градусный сиденье — это верхний угол, который обычно составляет около 30 градусов. Этот верхний угол служит две цели. Во-первых, он действует как радиус для перехода воздуха между Сиденье под 45 градусов и камера сгорания. Во-вторых, верхний разрез используется для уменьшите ширину сиденья под углом 45 градусов сверху.Нижний угол, обычно около 60 градусов, часто называют углом горла, и он также имеет два функции. Его основная задача — перемещать воздух между сиденьем с углом наклона 45 градусов. угол и порт. Угол горла также уменьшает ширину 45-градусного угол сиденья снизу.
Но есть гораздо больше это чем просто углы. Положение и ширина сиденья под углом 45 градусов на клапан также имеет решающее значение. Для впускного клапана большинство головных специалистов любят расположите седло как можно выше (по направлению к камере) на клапане.Один способ проверить это — использовать состав для притирки клапана, который вытравливает светло-серый цвет. отметьте на клапане, где с ним соприкасается 45-градусное седло. Какой-то двигатель строители предпочитают использовать красную краску машиниста, чтобы смесь не разрезалась в аккуратно расставленные углы. Большинство механических мастерских предпочитают размещать клапан седло в середине выпускного клапана из соображений прочности. Сиденье тоже близко к краю может вызвать ожог клапана.
Ширина сиденья также очень важно течь.Теорий о ширине сиденья почти столько же, сколько о ширине сиденья. есть директора школ. Большинство машинистов, с которыми мы говорили, предпочитают ширина впускного сиденья 0,040-0,060 дюйма. Более узкие сиденья обычно улучшают поток но они также менее долговечны. Узкие сиденья лучше всего подходят для дрэг-рейсинга. где двигатель часто освежается. Более твердые материалы седла (например, сиденья с индукционной закалкой) позволяют работать с сиденьями чуть меньшей ширины, чем в прошлом, сохраняя при этом отличную долговечность. Поскольку выпускные клапаны работают при экстремальных температурах им требуется более широкое сиденье для отвода тепла от клапан через седло.Большинство магазинов указывают ширину сиденья от 0,060 до 0,080 дюйма. для выхлопной стороны.
Положение клапана сиденье в голове тоже важно. Каждый раз, когда седло клапана обрабатывается, >> Материал удаляется, и сиденье погружается в голову, продвигаясь глубже в порт. Это приводит к увеличению радиуса короткой стороны порта, что уменьшает поток. Клапаны большего размера (или свежие седла) часто улучшают поток, потому что больший диаметр перемещает спинку сиденья в сторону камеры сгорания где новая работа клапана может использовать более мягкий радиус.
Клапаны
Седла клапана составляют только половина картины потока; другая половина касается клапанов. Все они могут выглядят так же, но многие клапаны с высокими характеристиками на рынке являются свидетельством сколько внимания следует уделять улучшенной текучести и долговечности. Компании такие как Ferrea, Federal-Mogul, Manley, Milodon, Rev, SI и многие другие предлагают Производительность клапанов в нескольких конфигурациях. Вы можете потратить большие деньги на высококлассные клапаны, но на рынке полно отличных клапанов для улицы, которые предлагают отличную текучесть и долговечность по разумной цене.
Первым делом клапан должен быть прямым, включая кончик. Большинство магазинов не предполагают нового клапан прямой и будет касаться поверхности клапана, чтобы обеспечить соосность с стержень и обработайте наконечник, чтобы убедиться, что он перпендикулярен.
Помимо 45-градусного На лицевой стороне клапана также должен быть запас, как показано на боковой панели «Впуск». Прием клапаны должны иметь запас около 0,050 дюйма, а край должен быть острым где он переходит к торцу клапана.Выхлопные клапаны разные сказка. Запас для выпускного клапана должен быть больше, чтобы улучшить тепло. рассеивание обычно около 0,080-0,100 дюйма. Поскольку путь потока для выпускной клапан противоположен впускным клапанам, иногда вы можете увидеть гладкий радиус со стороны камеры для улучшения потока воздуха в порт.
Там много чего происходит также на задней стороне клапана. Один из лучших и наименее дорогих хитрости, которые можно применить к любому клапану, — это задний разрез на 30 градусов на внутренней стороне клапана. Седло клапана под 45 градусов.Это создает более плавный переход между задней стороной клапана и лица под углом 45 градусов, и это обычно дает ощутимый выигрыш. в малоподъемном потоке. Это может быть применено как к впускным, так и к выпускным клапанам. Штоки клапана уменьшенного диаметра, такие как клапаны Manleys Street Flo или Race Flo часто наблюдается небольшое увеличение потока в зависимости от области применения. Несколько другие компании, включая Milodon и SI, также предлагают этот тип клапана.
Впускной и выпускной поток — Liquid Dynamics
Впускной и выпускной поток — Liquid DynamicsПоток на впуске и выпуске — динамика жидкости и другие формулы
Введение
Характеристики клапана играют важную роль в общем производстве энергии двигателя.Если клапаны слишком маленькие, поток воздуха будет ограничен, и крутящий момент двигателя уменьшится. Воздушный поток через впускной и выхлопные отверстия двигателя неустойчивы из-за периодического открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.
Применяются несколько типов клапанов: тарельчатый, поворотный, дисковый. и рукав. Самый распространенный клапан — это тарельчатый клапан. Тарельчатый клапан стоит недорого и обладает хорошими герметизирующими свойствами, что делает его таким популярным выбор.В следующей оценке предполагается, что тарельчатые клапаны используются как для впускной и выпускной патрубки.
Геометрические свойства
Рис. 1. Схема клапана и порта клапана
Обычно входной порт имеет круглую форму и составляет около 44-48% от размера диаметр цилиндра не должен быть больше, чем необходимо для получения желаемой мощности.
Еще один геометрический параметр клапана — высота подъема.Когда значение чуть выше сиденья считается малоподъемной. При низком подъеме впускной поток остается прикрепленным к седлу клапана, принимая форму пристенной струи. В промежуточный подъем, поток начинает отделяться от головки клапана на внутренний край седла клапана. Наконец, при высоком подъеме поток отделяется от внутренний край седла клапана также принимает форму свободной струи.
Расход на впуске
Рисунок 2.Схема впуска
Из-за постоянного открытия и закрытия клапанов поперечное сечение изменяется площадь, через которую проходит поток. Эта область упоминается к как эффективная площадь. Эта область определяется как:
Ae = Ac (q) Cd (q)
Где:
Ac = область завесы
Cd = коэффициент расхода
Область завесы Ac можно определить несколькими способами.Простое определение площади занавеса дает:
Ac = 3,14159 * Dv Lv
Где:
Dv = диаметр клапана
Lv = лифт
Подъем и коэффициент нагнетания изменяются в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Коэффициент расхода определяется экспериментально.Этот коэффициент учитывает реальные эффекты газового потока. Коэффициент расхода уменьшается немного с подъемом, так как струя заполняет меньше эталонной площади завесы поскольку он трансформируется из присоединенной струи в отдельную свободную струю. Представитель значение коэффициента расхода Cd = 0,6.
Подъем и Cd определены экспериментально. Если лифт и КД профили известны, эффективная площадь может быть найдена как функция угла поворота коленчатого вала. Следующий апплет, апплет эффективной площади впуска, определяет эффективную площадь по определению
Поток выхлопных газов
Процесс выхлопа разбивается на две части: продувка выхлопных газов. и такт выпуска.Продувка выхлопных газов моделируется как постоянный объем. такт выпуска моделируется как процесс с постоянным давлением. Когда выпускной клапан открывается, давление в цилиндре обычно достаточно высокое. так что звуковой поток возникает на клапане и продувка происходит очень быстро.
Синхронизация клапана
Открытие и закрытие выпускного и впускного клапана перекрывают друг друга. На следующем рисунке показано перекрытие двух клапанов.
Рисунок 3.Синхронизация впускного и выпускного клапана
Впускной клапан начинает открываться до верхней мертвой точки, так что — большая эффективная площадь Ae в начале индукции. Выпускной клапан начинает открываться перед нижней мертвой точкой, отдавая продукты сгорания время бежать
Скорость двигателя определяет, насколько рано открывается выпускной клапан. При низких оборотах клапан открывается раньше, а на высоких оборотах клапан открывается поздно.
Тюнинг системы впуска и выпуска
При правильном выборе длины впускного и выпускного трубопровода производительность двигателей внутреннего сгорания может быть увеличена.Впуск и выпуск открытие и закрытие клапана создает процесс сжимаемого потока, в котором давление волны текут вперед и назад через впускную и выпускную системы. Соответствующий Длина трубы может быть оценена путем решения уравнений сжимаемого потока. В качестве альтернативы был разработан ряд эвристических уравнений длины трубы.
Волна давления создается при открытии впускного или выпускного клапана. Волна распространяется через жидкость в трубе со скоростью звука c.Когда эта волна встречает изменение площади поперечного сечения, например, конец трубы, волна противоположного знака отразится от конца трубы трубка. В зависимости от времени, которое требуется для возврата этой волны обратно в клапан, длину трубы можно определить.
Впускной клапан
Например, когда впускной клапан открывается, вверх по потоку посылается волна разрежения. от клапана. Когда эта волна встречает изменение области, например, впускной коллектор, волна сжатия генерируется и отправляется вниз по потоку обратно в впускной клапан.Эта волна сжатия увеличивает локальную плотность входного отверстия. поток, процесс, называемый «эффект барана».
Экспериментально было обнаружено, что значительное увеличение объемного эффективность достигается, когда отраженная волна сжатия возвращается, когда поршень находится под углом поворота коленчатого вала 90o. В этот момент скорость поршня максимальна. Согласование времени, необходимого для возврата волны, с характеристикой время поршня, необходимую длину трубы можно найти.
Скорость волны определяется по формуле:
скорость = расстояние / время
Расстояние вдвое больше длины трубы, 2L.Время находится из скорость двигателя.
Расчет длины трубы L дает:
Член c — это скорость звука. Зависит от температуры T (в градусах Кельвина) набегающего потока, постоянная идеального газа воздуха R, и коэффициент теплоемкости k. Скорость звука определяется следующим уравнение:
Выпускной клапан
Когда выпускной клапан открывается, волна сжатия направляется вниз по потоку и отражается назад как волна разрежения, когда отверстие в выхлопной системе встречается.Экспериментальным путем было установлено, что оптимальное положение поршня при возврате волны составляет 120o. На этой позиции оставшиеся выхлопные газы могут быть удалены из камеры сгорания. Требуемая длина выхлопной трубы.
Требования к мощности автомобиля
Сколько мощности нужно, чтобы разогнаться до 100 км / ч? 80 миль в час? Вес машины и его скорость — все это факторы, которые влияют на количество требуемой мощности.В баланс сил транспортного средства показан на рисунке 4.
Рисунок 4. Баланс сил
Силы, действующие на автомобиль, вызваны внутренним сопротивлением, сопротивлением шин и воздуха. Результирующую этих сил, полную силу сопротивления FD, можно оценить. по следующему уравнению:
cR = коэффициент сопротивления качению
cD = коэффициент аэродинамического сопротивления
m = масса автомобиля [кг]
A = площадь фронтальной поверхности [м2]
г = 9.8 м / с
r = плотность площадей, 1,2 кг / м3 @STP
Коэффициенты сопротивления качению и лобового сопротивления определяются из эксперимент. Типичное значение коэффициента сопротивления качению составляет 0,015. Коэффициент лобового сопротивления у автомобилей разный, обычно используется значение 0,3.
Требуемая выходная мощность может быть определена по заданной силе сопротивления. выше и скорость автомобиля.
P = FDV
Учитывая массу автомобиля и площадь его лобовой поверхности, участок может быть На рисунке показаны требования к мощности для диапазона скоростей.
Мощность, необходимая для разгона до заданной скорости, также представляет интерес. Для большего ускорения требуется больше мощности ..
Основное определение силы ускорения (без учета сопротивления!): выдает:
F = ma
Предполагая, что сила, необходимая для ускорения транспортного средства от 0 до 60 миль в час можно определить из приведенного выше уравнения, тогда необходимая мощность для разгона до заданной скорости составляет:
P = мАВ
Где:
м = масса автомобиля
a = ускорение = DV / DT
DV = 60-0 = 60 миль / ч = 26.82 м / с
V = конечная скорость, 60 миль / ч
Дать Слава БОГУ
Компьютеры MC Chatter Комплекты принадлежностей Политика двигателей Вьетнам Магазин Главная Христианские файлы
Увеличивают ли клапаны производительность?
Будет ли установка более крупных клапанов улучшать работу головки блока цилиндров?
Ответ: Это зависит от типа ГБЦ.Как правило, если головка блока цилиндров предназначена для уличного применения, большие клапаны не улучшают поток воздуха. Часто зубцы, большие клапаны фактически уменьшают поток воздуха.
Давайте посмотрим на Chevy 305 голов в качестве наглядного примера:
Нормальный размер клапана в головке «Performance» 305 составляет 1,84 ″ x 1,50 ″.
Думая, что «больше — лучше», многие устанавливают впускные клапаны 1,90 ″ или 1,94 ″ в 305 головок. Что ж, факт в том, что большие впускные клапаны в головке 305 повредят общий воздушный поток в головке, особенно под.Лифт 450 ″. Потеря воздушного потока при подъеме ниже 0,450 ″ особенно вредна, если у вас есть правило подъема клапана.
Вот пример «Тратить деньги, чтобы работать медленнее»
Много лет назад у меня был разговор с человеком, представлявшим компанию, которая продавала полные головки Chevy 305, в основном на E-Bay. Они установили впускные клапаны 1,94 дюйма во все свои 305 головок. Я спросил, знают ли они, что установка клапанов диаметром 1,94 дюйма в головку 305 уменьшила поток воздуха. Его ответ был примерно таким: «Ну да, я знаю, что меньший клапан на самом деле работает лучше.Но никто не купит комплект головок с клапанами 1,84 дюйма; они все хотят 1,94 дюйма, и это то, что мы им даем ». Мы называем это «тратьте деньги, чтобы идти медленнее». Это классический случай: больше не лучше. Часто чем больше, тем медленнее.
Фактов расхода воздуха на 305 голов.
Испытательная головка: «Головка Chevy 305 номер литья 450 с отверстием под крышкой».
‘601 — 305 головка с клапанами 1,84 x 1,50
Фактов расхода воздуха на 305 голов.
Испытательная головка: «Головка Chevy 305 номер литья 450 с отверстием под крышкой».
Расход воздуха с клапаном 1,84 ″. Ферреа № F5060.
.200 126
,300 173
. 400 206
. 500 212
. 600 213
После того, как головка была испытана на поток с клапаном 1,84 дюйма, мы обработали седло клапана, чтобы оно подходило к клапану 1,900 дюйма. Если вы посмотрите на максимальные значения расхода, вы можете подумать, что больший клапан был улучшением. Однако небольшое улучшение при подъеме на 0,500 ″ и 0,600 ″ было более чем компенсировано значительным снижением ниже этой точки.
Воздушный поток с клапаном 1.900 ″ Ferrea # F5072.
.200 124 -3
. 300 170 -3
.400 198-8
. 500 214 +2
. 600 215 +2
Тест не угадай.
Ferrea помогает объяснить динамику клапана-потока
Если поворотные клапаны не будут усовершенствованы, тарельчатые клапаны останутся важнейшим движущимся компонентом воздушного потока в современных высокопроизводительных двигателях.Их форма, выбор материала и подготовка могут повлиять на максимальную производительность двигателя, независимо от разработки таких высокопрофильных деталей, как головки цилиндров и индукционные системы.
«Клапаны двигателя оказывают огромное влияние на воздушный поток двигателя, качество смеси и способность работать на более высоких оборотах», — говорит Зик Уррутия из Ferrea Racing Components, производителя высокопроизводительных гоночных клапанов и компонентов клапанного механизма.
Открытый клапан создает окно потока, определяемое диаметром потока седла клапана и величиной подъема, создаваемой распределительным валом.При большинстве значений подъема значительная часть окна потока частично перекрывается стенками камеры сгорания, что затрудняет получение равного потока по всей окружности клапана.
Клапаны должны обеспечивать идеальное уплотнение на всех оборотах двигателя, а их размер, форма и углы седла должны обеспечивать наилучшее возможное движение смеси через окно потока. Специальные материалы также необходимы для обеспечения долговечности в суровых условиях горения, но вес клапана также имеет первостепенное значение для обеспечения эффективной работы на высоких скоростях.По сути, обычный клапан двигателя — это гораздо больше, чем кажется на первый взгляд.
Хотя общая наука о воздушном потоке двигателя на удивление сложна, в этом отчете основное внимание будет уделено основному содержанию и функциям клапанов двигателя, а также их вкладу в работу двигателя. Традиционная конфигурация клапана и седла клапана оказалась наиболее практичным способом питания двигателя. К сожалению, это партнерство также является самым большим ограничением воздушного потока в двигателе.В то время как форма, длина и поперечное сечение порта являются основными факторами динамики воздушного потока двигателя, площадь горловины непосредственно над клапаном является наиболее ограничивающим и наиболее важным элементом оптимального воздушного потока и качества смеси. Фактически, площадь примерно на 1/2 дюйма выше и ниже впускного клапана является наиболее важным фактором для всего пути потока на входе. Поддержание хорошей воздушной скорости за пределами быстро открывающихся и закрывающихся клапанов — главный приоритет производителя двигателей.
Повышение качества смеси
Многоугольные клапаны используются для облегчения перехода потока из порта в камеру на стороне впуска и из камеры в порт на стороне выпуска.Ширина, количество и концентричность этих прорезей влияют на эффективность уплотнения и качество потока.
«Правильно настроенный клапан и угол седла клапана могут значительно улучшить поток воздуха и одновременно улучшить качество смеси», — подчеркивает Уррутия.
Устойчивый поток воздуха мимо открытого клапана (на измерительном стенде) является одной из важнейших мер, но запуск и остановка этого столба воздуха (и капель топлива) много раз в секунду не способствует плавному переносу среды топливо / воздух. от индукционной системы.И это, конечно, не способствует хорошему качеству смеси, когда капли топлива сильно ударяются о заднюю часть клапана на высокой скорости и так же быстро ускоряются и смываются мимо седла в цилиндр, где существует совершенно другая среда давления.
Клапан представляет собой простое устройство с изменяемой геометрией, которое управляет открытием и закрытием указанного окна потока или области завесы клапана в зависимости от соотношения распределительного вала и коромысла. Площадь завесы клапана определяется как окно потока, создаваемое открытым клапаном при максимальном подъеме клапана.Чтобы рассчитать площадь завесы клапана, нельзя руководствоваться самим диаметром клапана. Вы должны использовать диаметр потока, с которого начинается фактическое седло клапана, и который обычно примерно на 0,040 дюйма меньше измеренного диаметра клапана. Обычно точная формула для диаметра потока — это умножение диаметра клапана на 0,98 (см. Врезку).
Расчет площади завесы клапана
Следующее уравнение математически определяет доступное сечение потока для любого заданного диаметра клапана и значения подъема:
Площадь = диаметр клапана x 0.98 x 3,14 x подъем клапана
Где 3,14 = пи (π)
Для типичного впускного клапана 2,02 дюйма при подъеме 0,500 дюйма он рассчитывается следующим образом:
Площадь = 2,02 x 0,98 x 3,14 x 0,500 = 3,107 квадратных дюйма
Максимальное открытие клапана, скорость открытия и время, в течение которого клапан открыт, регулируются распределительным валом, но размер, форма и углы седла клапана имеют огромное влияние на общую эффективность воздушного потока.
Если мы примем, что воздушная скорость и чистый массовый расход являются ключевыми компонентами наполнения цилиндра, легко увидеть, что перемещение высокоскоростного воздуха мимо клапана в камеру сгорания плавно с минимальной турбулентностью имеет решающее значение для оптимизации производительности.Производители двигателей называют это восстановлением давления или эффективным замедлением движения воздуха с высокой скоростью и преобразованием кинетической энергии потока в давление в цилиндре. В литнике и за клапаном скорость воздуха высокая, а статическое давление низкое. Внутри цилиндра давление выше, а скорость полета уменьшается из-за резкого изменения площади. Постепенный переход от низкого статического давления и высокой скорости мимо клапана к более высокому статическому давлению и низкой скорости в цилиндре способствует наполнению цилиндра и позволяет наиболее эффективно использовать правильно спроектированный порт.
Равный воздушный поток
«Это во многом зависит от формы камеры сгорания, но реальный ключ состоит в том, чтобы получить как можно более равномерный воздушный поток по всей окружности клапана», — объясняет Уррутия. «Этого трудно достичь, потому что порт почти всегда приближается к клапану под косым углом, а поток кинетически смещен, чтобы следовать его собственному предпочтительному направлению, что редко способствует даже потоку вокруг клапана».
Угол клапана относительно отверстия цилиндра влияет на характеристики потока.Поднятый канал и меньший угол наклона клапана улучшают поток, обеспечивая более прямой путь потока и уменьшая кожух клапана. В некоторых случаях клапан немного меньшего размера будет работать лучше, потому что он помогает преодолеть эффект кожуха.
Динамика потока еще более усложняется, когда камера сгорания обычно закрывает 30 или более процентов клапана. Вот почему отверстие в кармане и снятие кожуха клапана увеличивает мощность, но форма клапана и углы седла играют важную роль в оптимизации эффективности потока и качества смеси за счет эффективного сдвига топлива по седлу.
Титановые клапаны обладают множеством преимуществ, несмотря на их более высокую начальную стоимость. — Зик Уррутия, Ферреа
Роль клапана критична при всех значениях подъема, но ключевой пропорцией является отношение LD — или отношение подъема к диаметру, — где значение подъема равно одной четверти диаметра клапана. Независимо от диаметра клапана, в этот момент площадь завесы клапана точно равна площади головки клапана.
«Все, что ниже этого, сильно влияет на поток на малой высоте, — говорит Уррутия, — что является важной функцией преодоления инерции топливной смеси.”
В прилагаемой таблице указаны стандартные длины клапанов для популярных двигателей. Важные размеры включают общую длину клапана, диаметр головки, высоту края и длину наконечника.
Выше этой точки изготовителю двигателя необходимо сравнить минимальную площадь поперечного сечения порта (обычно площадь горловины над клапаном) с площадью завесы клапана. Где-то в районе средней точки подъема площадь завесы клапана становится больше, чем площадь порта, и сам порт становится ограничением.Это называется точкой подъема насыщения. В каждой точке этого уравнения мы придерживаемся одной и той же фиксированной формы клапана, углов седла и размеров краев клапана, которые влияют на движение воздуха. Выше точки насыщения углы седла по-прежнему имеют решающее значение для поддержания плавного переходного потока и обеспечения кромки сдвига, помогающей поддерживать хорошее распыление топлива. Детали этого очень специфичны для любой данной камеры сгорания, в зависимости от ее размера, формы, глубины, положения клапана, текстуры порта, приближающегося к клапану, и, в некоторой степени, влияния поднимающейся головки поршня.
Какой угол?
Работа стандартного трехуглового клапана обычно начинается с 60-градусного разреза в области горловины порта для перехода к 45-градусному углу уплотнения, который контактирует с клапаном. Более того, верхний срез от 15 до 35 градусов обычно завершает переход в камеру сгорания. Сегодня многие рабочие места клапанов имеют до пяти различных углов, включая в некоторых случаях срез горловины от 70 до 75 градусов, в зависимости от порта и его характеристик потока.Как правило, впускной или выпускной поток не теряет скорости и не становится турбулентным до тех пор, пока смещение седла клапана или угловые переходы клапана не превышают 15 градусов.
Стандартный угол седла клапана составляет 45 градусов. Некоторые приложения, такие как дрэг-рейсинг Pro Stock, используют угол наклона клапана и седла до 55 градусов. Было обнаружено, что это увеличивает поток, но он менее долговечен и не может использоваться в приложениях с наддувом или турбонаддувом, потому что он не выдерживает более высоких температур.Обратный разрез клапана под углом 30 градусов помогает облегчить переход к седлу, а острый угол в нижней части края впускного клапана помогает противодействовать обратному потоку, прерывая его прохождение обратно в порт. Для большинства применений с высокими эксплуатационными характеристиками высота края впускного клапана обычно составляет 0,050 дюйма, а для впускных клапанов обычно требуется небольшой радиус от штока до головки, чтобы предотвратить ограничение малого подъема.
Впускной клапан (слева) имеет срез назад под 30 ° над седлом и тонкий край с острой кромкой внизу, чтобы предотвратить реверсирование впускного тракта.Соответствующий выпускной клапан имеет больший запас прочности, чтобы противостоять более высоким температурам, и большой радиус внизу, чтобы способствовать выходному потоку вокруг клапана. Впускные клапаны используют конфигурацию головки гвоздя, чтобы избежать ограничения потока.
Для выпускных клапанов обычно требуются такие же углы, но используется более узкое седло, чтобы помочь клапану прорезать скопление углерода и поддерживать надежное уплотнение. Запас клапана должен быть высотой 0,080-0,090 дюйма, чтобы обеспечить долговечность при более высоких температурах, и он должен иметь радиус внизу, чтобы способствовать потоку выхлопных газов вокруг клапана.Форма тюльпана часто используется на выпускных клапанах для обеспечения более плавного потока.
«Это хорошо работает по сравнению с узким радиусом впускных клапанов, потому что выхлопные газы все еще находятся под давлением и им не терпится выйти», — говорит Уррутия. «Впускные смеси имеют небольшое относительное давление и должны подаваться в цилиндр через динамику порта».
Фиксаторы из инструментальной стали(слева) обеспечивают легкий вес и исключительные износостойкость и прочностные характеристики для большинства гоночных применений. Титановые фиксаторы серии Ferrea Pro (справа) прецизионно обработаны на станках с ЧПУ и позволяют снизить вес на 40% для поддержки экстремальных оборотов двигателя.
Лучшие материалы клапана
Нержавеющая сталь и титан являются основными материалами, используемыми при производстве клапанов двигателей с высокими эксплуатационными характеристиками. Клапаны из нержавеющей стали универсально подходят для большинства применений с высокими эксплуатационными характеристиками, обеспечивая хорошую работу в приложениях с умеренным наддувом. За исключением некоторых случаев применения, специфичных для гонок, почти все головки цилиндров послепродажного обслуживания поставляются с клапанами из нержавеющей стали, которые подходят для использования в уличных гонках и гонках, включая системы с умеренным форсированием.Все безнаддувные гоночные двигатели, которые вращаются на высоких оборотах, должны использовать гораздо более легкие титановые клапаны.
«Титановые клапаны обладают множеством преимуществ, несмотря на их более высокую начальную стоимость», — говорит Уррутия.
Меньшая инерция массы позволяет снизить жесткость клапанной пружины и снижает нагрузку на весь клапанный механизм. Титановые клапаны необходимо использовать с бронзовыми направляющими клапана. Клапаны Ferrea имеют запатентованное покрытие из нитрида хрома (CrN) или алмазоподобное покрытие (DLC), обеспечивающее быстрое рассеивание тепла и снижение износа при одновременном уменьшении расслоения и отслаивания от изгиба клапана.Титановые клапаны, как правило, не имеют закаленных наконечников, поэтому их следует использовать со стальными задвижками, чтобы предотвратить повреждение. Типичный зазор составляет приблизительно от 0,0007 до 0,0009 дюйма.
Клапаны двигателя, особенно выпускные клапаны, часто испытывают температуру в камере сгорания, превышающую 1600 градусов по Фаренгейту, а также воздействие температуры впускного коллектора до -25 градусов. Инконель — это материал для выпускных клапанов, который часто используется для защиты от более высоких температур, связанных с системами с турбонаддувом и наддувом.
«Экстремальный температурный градиент во многих приложениях с повышенным давлением требует использования более экзотических материалов, таких как Inconel, чтобы противостоять термической усталости», — говорит Уррутия.
Inconel выдерживает температуры до 1800 градусов и является популярным выбором для двигателей с большим наддувом. В более агрессивных средах с очень высоким давлением наддува или экзотических топливах, таких как нитрометан, можно использовать различные клапаны из суперсплавов Ferrea, которые комфортно работают в диапазоне 2000–2400 градусов, а некоторые могут выдерживать даже 2600–2700 градусов (см. Диаграмму выше).
Производство клапанов
Клапаны с полым штоком, высверленные с помощью пистолета, на 20% легче, что снижает требования к давлению пружины клапана и улучшает динамику клапанного механизма. Клапаны Ferrea также имеют штоки с подрезкой для дальнейшего снижения веса и улучшения потока.
В процессе производства клапаны штампуются при высоких температурах, термообработке и снятии напряжений, бесцентровая шлифовка и обработка на станках с ЧПУ в соответствии с требуемыми характеристиками. Штоки жестко хромируются, а затем подвергаются микро- или полировке, в зависимости от серии клапана.В условиях высоких температур и напряжений можно указать биметаллическую поковку, включающую наиболее подходящую смесь сплавов для каждой секции клапана. Биметаллические клапаны свариваются методом инерционной сварки из двух разных сплавов, при этом точка сварки расположена достаточно высоко, чтобы всегда оставаться внутри направляющей клапана. Это единственный одобренный метод для аэрокосмических клапанов. Биметаллические клапаны обрабатываются так же, как цельные кованые клапаны, включая очень точное хромирование штоков. Более продвинутые приложения могут выбирать из различных сплавов, а также клапаны с полым штоком с просверленными пистолетом и микрополированными полостями для полого штока.
«Клапаны с полым штоком позволяют снизить вес в среднем на 20% по сравнению с типичным клапаном малого диаметра», — говорит Уррутия.
По индивидуальным заказам можно также указать полые клапаны с полым штоком, заполненные натрием, для снижения веса и лучшего отвода тепла из критических зон.
Ferrea также предлагает свой клапан Super-Flo с подрезанным или суженным штоком в основании клапана рядом с головкой. Эту конфигурацию иногда называют «клапаном-костылем», потому что она полезна для улучшения потока на старых чугунных головках стандартного типа с плохой конструкцией портов.Клапаны Super-Flo изготовлены из нержавеющей стали, и они очень надежны даже при небольшом количестве материала вокруг проходного сечения.
«Это очень хорошая модификация для восстановления маслкаров с оригинальными головками», — говорит Уррутия. «Некоторые современные руководители послепродажного обслуживания используют их, чтобы увеличить расход своих нынешних головок».
Выбор клапанов
Для некоторых применений с головками также требуются более длинные клапаны, порядка + 0,100 дюйма, +0,200 дюйма или больше.Ferrea обслуживает и клапаны этой длины. В прилагаемой таблице перечислены стандартные стандартные длины клапанов для популярных отечественных двигателей, и строители могут использовать диаграмму клапанов, чтобы заказать клапаны определенной длины, которая отличается от нормы. Ferrea также может указать модификации наконечников и замков, а также желаемую высоту поля, если требования отличаются от стандартных. А для безнаддувных комбинаций, требующих большей степени сжатия, серия 5000 Ferrea включает клапаны с плоскими поверхностями, которые помогают уменьшить объем камеры сгорания.
Крупный план сверхмощного выпускного клапана показывает полированную вихревую форму тюльпана, которая способствует хорошему выходному потоку. Обратите внимание на большой радиус в нижней части поля, чтобы способствовать выходному потоку.
Многие моторные мастерские и производители двигателей на дому полагаются на головки цилиндров с характеристиками, поставляемые на вторичный рынок, которые поставляются полностью собранными и готовыми к работе. По большей части эти головки обеспечивают отличную производительность и редко вызывают проблемы. Но ведущие производители двигателей всегда разбирают их и проверяют все, включая углы седла клапана, глубину, положение и ширину седла, концентричность и пятно контакта, высоту штока клапана, крепление спирали и высоту установленной пружины клапана.Это необходимый минимум, и производители головок блока цилиндров послепродажного обслуживания обычно получают его прямо в деньгах, продавая головки блока цилиндров массового производства.