Что заставляет клапан плотно прилегать к седлу

Что заставляет клапан плотно прилегать к седлу

Головка цилиндров большинства бензиновых двигателей изготавливается из алюминиевого сплава. Алюминиевый сплав имеет преимущества в том, что он легче, чем чугун и обладает лучшими характеристиками теплопроводности, благодаря чему его легче охлаждать. Однако, он имеет некоторые недостатки, такие как легкая повреждаемость и более высокое тепловое расширение.

ВНИМАНИЕ!

При ремонте головки цилиндров следует обращать внимание на следующее.

• Будьте осторожны, чтобы не поцарапать или иначе не повредить поверхности головки цилиндров, к которым прилегают прокладка головки блока и прокладка коллектора,

• Болты головки цилиндров должны затягиваться на холодном двигателе, заранее определенным методом, в надлежащей последовательности с приложением указанного момента затяжки. Есть два метода затяжки — обычный метод и метод затяжки в области пластической деформации.

Рис. 1 — Устройство головки блока цилиндров.

Клапаны и сопряженные с ними детали

1. Клапан

Клапаны изготавливаются из специальной стали, потому что они подвергаются воздействию высоких давлений и температур. Клапан всегда поджимается в направлении закрытия усилием пружины, а когда на него действует усилие от распределительного вала, клапан движется вниз внутри направляющей втулки клапана в головке цилиндров, чтобы открыть впускной или выпускной канал. Обычно диаметр тарелки впускного клапана немного больше, чем выпускного клапана.

Для того, чтобы обеспечить хорошее уплотнение между клапаном и седлом клапана, угол конуса клапана составляет обычно 44,5° или 45,5°.

2. Пружина клапана

Пружина клапана применяется для закрытия клапана. У большинства двигателей устанавливается одна пружина на клапан, но на некоторых двигателях применяются две пружины на клапан.

Чтобы предотвратить отрыв клапана от толкателя, когда двигатель работает на высоких оборотах, используются пружины с неодинаковым шагом или двойные пружины.

Рис. 3 — Виды пружин клапанов.

ВНИМАНИЕ!

Отрыв клапана от толкателя вызывается работой пружины клапана, не связанной с работой кулачка. Отрыв клапана появляется, когда двигатель работает при частоте вращения выше максимально допустимой. Он не только вызывает ненормальный шум двигателя, но и является причиной удара поршня по клапану, что может привести к повреждению этих деталей. Пружины с неодинаковым шагом асимметричного типа устанавливаются витками с более широким шагом вверх.

3. Седло клапана

Седло клапана запрессовывается в головку цилиндров. Когда клапан закрывается, тарелка клапана плотно прилегает к седлу клапана, чтобы поддерживать герметичность камеры сгорания. Седло клапана также отводит тепло от клапана к головке цилиндров для охлаждения клапана. Так как седло клапана подвергается воздействию горячих отработавших газов и повторяющимся контактам с клапаном, оно изготавливается из специальной стали, имеющей высокие тепло- и износостойкость.

Рис. 4 — Седло клапана.

ДЛЯ СПРАВОК Седло клапана обычно имеет форму конуса 45°, чтобы соответствовать форме конуса клапана. Ширина рабочей фаски седла клапана обычно составляет от 1,2 до 1,8 мм. Чрезмерная ширина рабочей фаски седла клапана вероятно будет вызывать проникновение углерода между клапаном и седлом, хотя эффект охлаждения будет высоким. Если она слишком узкая, будет улучшаться герметичность, но эффект охлаждения будет снижаться.

4. Направляющая втулка клапана и масляное уплотнение

Направляющая втулка клапана обычно изготавливается из чугуна и запрессовывается в головку цилиндров. Направляющая втулка клапана направляет клапан так, что его рабочая поверхность правильно прилегает к седлу клапана. Сопряженные поверхности стержня клапана и направляющей втулки клапана смазываются моторным маслом. Чтобы предотвратить попадание большого количества моторного масла в камеру сгорания через зазор между стержнем клапана и направляющей втулкой, в верхней части направляющей втулки клапана предусматривается масляное уплотнение.

• Неплавное движение или заедание стержня клапана в направляющей втулке клапана называется «заеданием клапана». Оно появляется, когда зазор между стержнем клапана и направляющей втулкой клапана слишком мал или когда они недостаточно смазываются.

• Если масляное уплотнение стержня клапана разрушается или затвердевает, или если зазор между стержнем клапана и направляющей втулкой клапана чрезмерный, моторное масло будет попадать в камеру сгорания. Это масло будет сгорать в камере сгорания и выбрасываться через выхлопную трубу. Как результат, будет увеличиваться расход моторного масла.

Обычно масло легче попадает в камеру сгорания через впускной клапан.

5. Механизмы поворота клапана.

На некоторых двигателях вместо тарелок пружин клапанов применяются механизмы поворота клапана.

Механизм поворота клапана поворачивает клапан, тем самым предотвращая неплотное прилегание к седлу клапана, вызываемое соединениями свинца или нагаром, отлагающимися на рабочей поверхности клапана при сгорании этилированного бензина.

Обычно механизмы поворота клапана устанавливаются на выпускных клапанах.

Механизм поворота клапана состоит из корпуса механизма, спиральной пружины, плоской пружины и замка.

Кольцеобразная спиральная пружина устанавливается в канавку в корпусе механизма и слегка сплющивается плоской пружиной при установке пружины клапана.

Рис.5 — Механизм поворота клапана

Работа механизма поворота клапана

Рис. 6 — Работа механизма

Когда клапан открывается, пружина клапана сжимается и ее усилие становится большим. Это заставляет наружную часть плоской пружины слегка изгибаться вверх, при этом спиральная пружина сплющивается еще больше. Это, в свою очередь, заставляет поворачиваться корпус механизма.

В это время точка А скользит, но точки В и С не скользят.

Когда клапан закрывается, то есть, когда пружина клапана расширяется, усилие пружины клапана ослабевает.

Изгиб плоской пружины поэтому становится меньшим и спиральная пружина возвращается в свое первоначальное состояние. Это вызывает скольжение в точках В и С, тогда как в точке А скольжение не происходит. Поэтому корпус механизма поворота остается в том же положении, как и при открытом клапане.

Что заставляет клапан плотно прилегать к седлу

Мастера в мелких мастерских и некоторые самоучки часто после ремонта ГБЦ выполняют притирку клапанов своими руками и убеждают автовладельцев, что это обязательная процедура. Со стороны притирка клапанов действительно выглядит логичным завершением работы — соединение получается герметичным и теоретически не дает маслу попадать в камеру сгорания или в выхлопную систему. Но на практике притирка — это нарушение техпроцесса, двигатель с такими клапанами работает неправильно. В статье рассказываем, что происходит с клапаном после притирки и как правильно обработать контактные поверхности.

Как работает классическая (неправильная) притирка клапанов

Поверхности притирают в процессе ремонта ГБЦ, если выявляют нарушение герметичности соединения. Для этого блок переворачивают, заливают в цилиндры керосин и следят за уровнем — жидкость убывает там, где соединение негерметично. В этих цилиндрах проводят притирку клапанов. Технология максимально простая, поэтому на притирку клапанов своими руками цена небольшая. Порядок работ:

Подготовка. Перед обработкой пастой снимают слой нагара с фасок тарелки клапана и седла, удаляют слой поврежденного металла. На поверхности не должно остаться подгоревших участков, трещин, деформаций.

Нанесение пасты. Используют абразивную пасту для грубой и тонкой шлифовки. Средство наносят только на контактную поверхность.

Притирка. Стержень вставляют посадочное место, захватывают с обратной стороны специальным приспособлением для притирки клапанов. Инструмент может быть ручным, но иногда чтобы закончить поскорее, выполняют притирку клапанов дрелью. Механик прижимает клапан к седлу и крути его, пока не раздастся характерный «металлический» звук.

Удаление абразива. Пасту смывают с обеих поверхностей.

Проверка. Герметичность обычно проверяют тем же способом — заливают в блок керосин. Если соединение притерто недостаточно хорошо, процедуру повторяют.

Обратите внимание — эта технология устарела, так притирают клапана только когда нет профессионального оборудования для обработки поверхностей. Притирка вредит двигателю, приводит к неправильной работе и ускоренному износу деталей. В современных сервисных центрах так уже не делают.

Чем опасно классическое притирание

1. Шаржирование фаски седла. Часть абразива вдавливается клапаном в более мягкий материал седла и остается в нем. По-научному эффект называется шаржирование — такая технология используется в промышленной притирке, но только при раздельной доводке, а не на детали, которая будет участвовать в дальнейшей работе узла. В результате седло становится абразивным инструментом и ускоряет износ клапана.

2. Изменение углов рабочих поверхностей. В новом двигателе угол наклона фаски тарелки на полградуса больше угла фаски в седле. Конструкторы не зря сделали такую разницу — во время температурного расширения диаметр тарелки увеличивается и клапан более плотно прилегает к посадочной поверхности. Если притереть соединение с абразивной пастой, угол теряется — когда мотор прогревается, тарелка прижимается к седлу только одной точкой плоскости. В результате — ускоренный износ, снижение герметичности.

Процедура с использованием абразивных паст не применяется в профессиональных сервисных центрах, такую технологию не рекомендуют производители. Сегодня притирают клапана только от безысходности — когда нет подходящего профессионального инструмента.

Как правильно подогнать клапан и седло

Точно выполнить фаски рабочих поверхностей можно только на специальном оборудовании, с использованием точных инструментов:

Станок для шлифовки тарелки клапана под определенным углом.

Станок для нарезания профиля седла специальными резцами.

Вакуумная установка для проверки герметичности.

Седло и клапан обрабатывают отдельно на специализированном оборудовании, затем узел собирают и проверяют на герметичность. В сервисном центре «Моторные технологии» используют вакуумный тестер, который подключается к коллектору и точно имитирует давление в цилиндре. Если фаски не совпадают — значит соединение пропускает воздух и нужна повторная обработка. Важно не превышать заводских установок по разреженности, чтобы тарелка не вжималась в посадочное место.

Газораспределительный механизм (ГРМ) обеспечивает своевременный впуск в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуск отработавших газов. Он включает в себя элементы привода, распределительную шестер

Газораспределительный механизм (ГРМ) обеспечивает своевременный впуск в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуск отработавших газов. Он включает в себя элементы привода, распределительную шестерню, распределительный вал, детали привода клапанов, клапана с пружинами и направляющие втулки.

Распределительный вал служит для открытия клапанов в определенной последовательности в соответствии с порядком работы двигателя. Распредвалы отливают из специального чугуна или отковывают из стали. Трущиеся поверхности распределительных валов для уменьшения износа подвергнуты закалке при помощи нагрева токами высокой частоты.

Распредвал может располагаться в картере двигателя либо в головке блока цилиндров. Существуют двигатели с двумя распредвалами в головке цилиндров (в многоклапанных ДВС). Один используется для управления впускными клапанами, второй – выпускными. Такая конструкция называется DOHC (Double Overhead Camshaft). Если распредвал один, то такой ГРМ именуется SOHC (Single OverHead Camshaft). Распредвал вращается на цилиндрических шлифованных опорных шейках.

Привод клапанов осуществляется расположенными на распределительном валу кулачками. Количество кулачков зависит от числа клапанов. В разных конструкциях двигателей может быть от двух до пяти клапанов на цилиндр (3 клапана – два впускных, один выпускной; 4 клапана – два впускных, два выпускных; 5 клапанов – три впускных, два выпускных). Форма кулачков определяет моменты открытия и закрытия клапанов, а также высоту их подъема.

Привод распределительного вала от коленчатого вала может осуществляться одним из трех способов: ременной передачей, цепной передачей, а при нижнем расположении распредвала — зубчатыми шестернями. Цепной привод отличается надежностью, но его устройство сложнее и цена выше. Ременной привод существенно проще, но ресурс зубчатого ремня ограничен, а в случае его разрыва могут наступить тяжелые последствия.

При обрыве ремня распредвал останавливается, а коленвал продолжает вращаться. Чем это грозит? В простых двухклапанных моторах, где, как правило, поршень конструктивно не достает до головки открытого клапана, ремонт ограничивается заменой ремня. В современных многоклапанных двигателях при обрыве ремня поршни ударяются о клапана, «зависшие» в открытом состоянии. В результате сгибаются стержни клапанов, а также могут разрушиться направляющие втулки клапанов. В редких случаях разрушается поршень.

Еще тяжелее при обрыве ремня приходится дизелям. Так как камера сгорания у них находится в поршнях, то в ВМТ у клапанов остается очень мало места. Поэтому при зависании открытого клапана разрушаются толкатели, распредвал и его подшипники, велика вероятность деформирования шатунов. А если обрыв ремня произойдет на высоких оборотах, возможно даже повреждение блока цилиндров.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя происходит за два оборота коленвала. За это время должны последовательно открыться впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра. Поэтому распредвал должен вращаться в два раза медленнее коленвала, а, следовательно, шестерня распредвала всегда в два раза больше шестерни коленвала. Клапаны в цилиндрах должны открываться и закрываться в зависимости от направления движения и положения поршней в цилиндре. При такте впуска, когда поршень движется от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан должен быть открыт, а при тактах сжатия, рабочего хода и выпуска – закрыт. Чтобы обеспечить такую зависимость, для правильной установки на шестернях ГРМ делают метки.

Привод клапанов может осуществляться разными способами. При нижнем расположении распредвала, в картере двигателя, усилие от кулачков передается через толкатели, штанги и коромысла. При верхнем расположении возможны три варианта: привод коромыслами, привод рычагами и привод толкателями.

Коромысла (другие названия – роликовый рычаг или рокер) изготавливают из стали. Коромысло устанавливают на полую ось, закрепленную в стойках на головке цилиндров. Одной стороной коромысла упираются в кулачки распредвала, а другой воздействуют на торцевую часть стержня клапана. В отверстие коромысла для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку. От продольного перемещения коромысло удерживается при помощи цилиндрической пружины. Во время работы двигателя в связи с нагревом клапанов их стержни удлиняются, что может привести к неплотной посадке клапана в седло. Поэтому между стержнем клапана и носком коромысла должен быть определенный тепловой зазор.

Во втором варианте распредвал располагается над клапанами, и приводит их в действие посредством рычагов. Кулачки распределительного вала действуют на рычаги, которые, поворачиваясь на сферической головке регулировочного болта, другим концом нажимают на стержень клапана и открывают его. Регулировочный болт ввернут во втулку головки цилиндров и стопорится контргайкой. Существуют ГРМ, в которых между рычагом и клапаном устанавливается гидрокомпенсатор. Такие механизмы не требуют регулировки зазора.

И, наконец, при третьем варианте привода распределительный вал при вращении воздействует непосредственно на толкатель клапана. Существует три варианта исполнения толкателей – механические (жесткие), гидротолкатели (гидрокомпенсаторы) и роликовые толкатели. Первый тип в современных моторах практически не используется, в связи с большой шумностью работы и необходимостью частой регулировки зазора клапанов. Второй тип наиболее широко применяется, так как не требует настройки и регулировки теплового зазора, а работа отличается мягкостью и гораздо меньшим шумом. Гидрокомпенсатор состоит из цилиндра, поршня с пружиной, обратного клапана и каналов для подвода масла. Работа гидрокомпенсатора основана на свойстве несжимаемости моторного масла, которое постоянно заполняет его внутреннюю полость и перемещает поршень при появлении зазора в приводе клапана.

Роликовые толкатели чаще всего применяются в спортивных и форсированных двигателях, так как позволяют улучшить динамические характеристики автомобиля за счет снижения трения. В месте контакта с кулачком распредвала у них находится ролик. Поэтому кулачок не трется, а катится по толкателю. Вследствие этого роликовые толкатели выдерживают более высокие нагрузки и обороты, а также позволяют обеспечить более высокий подъем клапанов. Недостатки – большая стоимость и вес, а, значит, и большие нагрузки на детали ГРМ.

Клапаны служат для периодического открытия и закрытия отверстий впускных и выпускных каналов. Клапан состоит из головки и стержня. Головка клапана имеет узкую, скошенную под определенным углом, фаску. Фаска клапана должна плотно прилегать к фаске седла. Для этой цели их взаимно притирают. Головки впускных и выпускных клапанов имеют неодинаковый диаметр. Для лучшего наполнения цилиндров свежей горючей смесью диаметр головки впускного клапана делают больше. Клапаны во время работы двигателя нагреваются неодинаково. Выпускные клапаны, контактирующие с отработанными газами, нагреваются больше. Поэтому их изготавливают из жароупорной стали.

Стержень клапана цилиндрической формы в верхней части имеет выточку для деталей крепления клапанной пружины. Стержень выпускного клапана — полый, с натриевым наполнением для лучшего охлаждения. Стержни клапанов помещают в направляющих втулках, изготовленных из чугуна или металлокерамики. Втулки запрессовывают в головку цилиндров.

Клапан прижимается к седлу при помощи цилиндрической стальной пружины. Кроме того, пружина не дает возможности клапану отрываться от коромысла. Пружина имеет переменный шаг витков, что необходимо для устранения ее вибрации. Другой вариант борьбы с вибрацией — установка двух пружин меньшей жесткости, имеющих противоположную навивку. Пружина одной стороной упирается в шайбу, расположенную на головке цилиндров, а другой – в упорную тарелку. Упорная тарелка удерживается на стержне клапана при помощи двух конических сухарей, внутренний буртик которых входит в выточку стержня клапана. Для уменьшения проникновения масла по стержням клапанов в камеру сгорания двигателя на стержни клапанов надеты маслоотражательные колпачки.

В теории открытие и закрытие клапанов должно происходить в моменты прихода поршня в мертвые точки. Однако в связи инерционностью процесса, особенно при больших оборотах коленвала, этого периода времени недостаточно для впуска свежей смеси и выпуска отработанных газов. Поэтому впускной клапан открывается до прихода поршня в в.м.т. в конце такта выпуска, т.е. с опережением в пределах 9-24 градусов поворота коленчатого вала, а закрывается в начале такта сжатия, когда коленвал пройдет положение н.м.т на 51-64 градусов. Таким образом, продолжительность открытия впускного клапана составит 240-270 градусов поворота коленчатого вала, что значительно увеличивает количество поступаемой в цилиндры горючей смеси.

Выпускной клапан открывается за 44-57 градусов до прихода поршня в н.м.т. в конце рабочего хода и закрывается после прихода поршня в в.м.т. такта выпуска на 13-27 градусов. Продолжительность открытия выпускного клапана составляет 240-260 градусов поворота коленчатого вала.

В двигателе бывают моменты (в конце такта выпуска и начале такта впуска) когда оба клапаны открыты. В это время происходит продувка цилиндров свежим зарядом горючей смеси для лучшей их очистки от продуктов сгорания. Этот период носит название перекрытие клапанов.

Моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек, выраженных в градусах поворота коленчатого вала, называются фазами газораспределения.

�� Основные неисправности газораспределительного механизма

Внешними признаками неисправности ГРМ являются: уменьшение компрессии, хлопки во впускном и выпускном трубопроводах, падение мощности двигателя и металлические стуки.

Уменьшение компрессии, хлопки во впускном и выпускном трубопроводах, а также падение мощности двигателя возможно вследствие плохого прилегания клапанов к седлам. Плохое прилегание клапана к седлу происходит вследствие отложения нагара на клапанах и седлах, образования раковин на рабочих поверхностях, коробления головок клапанов, поломки клапанных пружин, заедания стержня клапана в направляющей втулке, а также отсутствия зазора между стержнем клапана и коромыслом (рычагом).

Падение мощности двигателя и резкие металлические стуки могут происходить вследствие неполного открытия клапанов. Эта неисправность возникает из-за большого теплового зазора между стержнем клапана и коромыслом (рычагом) или отказа гидрокомпенсаторов.

К неисправностям ГРМ также относят износ шестерен распредвала и коленвала, направляющих втулок клапанов, втулок и осей коромысел, а также увеличенное осевое смещение распредвала.

Всем спасибо, что прочитали статью. Используйте полученные данные в обслуживании автомобиля. Удачи на дорогах. ��