Клапан на двигателя. Предназначение, устройство, дизайн

За да работи четиритактовият двигател с вътрешно горене на всеки автомобил, устройството му включва много различни части и механизми, които са синхронизирани помежду си. Сред такива механизми е времето. Неговата функция е да осигури навременната работа на времето на клапана. Какво представлява, е описано подробно тук.

Накратко, газоразпределителният механизъм отваря входящия / изходящия клапан в точното време, за да осигури времето на процеса при извършване на определен ход в цилиндъра. В някои случаи се изисква и двата отвора да са затворени, в другия - единият или дори двата отворени.

Нека разгледаме по-отблизо един детайл, който ви позволява да стабилизирате този процес. Това е клапан. Каква е особеността на дизайна му, както и как работи?

Какво е клапан на двигателя

Клапанът е метална част, монтирана в цилиндровата глава. Той е част от газоразпределителния механизъм и се задвижва от разпределителен вал.

В зависимост от модификацията на автомобила, двигателят ще има по-ниско или горно синхронизиране. Първият вариант все още се намира в някои стари модификации на силови агрегати. Повечето производители отдавна са преминали към втория тип газоразпределителни механизми.

Причината за това е, че такъв мотор е по-лесен за настройка и ремонт. За да регулирате клапаните, е достатъчно да свалите капака на клапана и не е необходимо да демонтирате целия блок.

Предназначение и характеристики на устройството

Клапанът е пружинен елемент. В спокойно състояние тя плътно затваря дупката. Когато разпределителният вал се завърти, гърбица, разположена върху него, изтласква клапата надолу и го спуска. Това отваря дупката. Конструкцията на разпределителния вал е описана подробно в друг преглед.

Всяка част играе своя собствена функция, която е структурно невъзможно да се изпълни за подобен елемент, разположен наблизо. Има поне два клапана на цилиндър. В по-скъпите модели има четири. В повечето случаи тези елементи са по двойки и отварят различни групи дупки: някои са входни, а други изходни.

Всмукателните клапани са отговорни за приемането на свежа част от въздушно-горивната смес в цилиндъра и в двигатели с директно впръскване (описан е тип система за впръскване на гориво тук) - обемът на чист въздух. Този процес се случва в момента, в който буталото изпълнява всмукателния ход (от горната мъртва точка след отстраняване на изпускателната тръба се движи надолу).

Изпускателните клапани имат същия принцип на отваряне, само че имат различна функция. Те отварят отвор за отстраняване на продуктите от горенето в изпускателния колектор.

Дизайн на клапана на двигателя

Въпросните части са включени в групата клапани на газоразпределителния механизъм. Заедно с други части те осигуряват навременна промяна във времето на клапаните.

Помислете за конструктивните характеристики на клапаните и свързаните с тях части, от които зависи тяхната ефективна работа.

Клапани

Клапаните са под формата на пръчка, от едната страна на която има глава или изпъкнал елемент, а от другата - пета или край. Плоската част е проектирана да затваря плътно отворите в цилиндровата глава. Извършва се плавен преход между кимвала и пръчката, а не стъпка. Това позволява вентилът да бъде рационализиран, така че да не създава устойчивост на движението на течността.

В същия двигател всмукателните и изпускателните клапани ще бъдат малко по-различни. Така че, първите видове части ще имат по-широка плоча от втората. Причината за това е високата температура и високото налягане, когато продуктите от горенето се отстраняват през изхода за газ.

За да направят частите по-евтини, клапаните са от две части. Те се различават по състав. Тези две части се съединяват чрез заваряване. Фаската на диска на изходящия клапан също е отделен елемент. Той се отлага от различен тип метал, който има топлоустойчиви свойства, както и устойчивост на механични натоварвания. В допълнение към тези свойства, краят на изпускателните клапани е по-малко податлив на образуване на ръжда. Вярно е, че тази част в много клапани е направена от материал, идентичен с метала, от който е направена плочата.

Главите на входящите елементи обикновено са плоски. Този дизайн има необходимата твърдост и лекота на изпълнение. Поправените двигатели могат да бъдат оборудвани с вдлъбнати дискови клапани. Този дизайн е малко по-лек от стандартния аналог, като по този начин намалява инерционната сила.

Що се отнася до аналозите на изхода, формата на главата им ще бъде или плоска, или изпъкнала. Вторият вариант е по-ефективен, тъй като осигурява по-добро отвеждане на газовете от горивната камера поради рационализирания си дизайн. Освен това изпъкналата плоча е по-трайна от плоския аналог. От друга страна, такъв елемент е по-тежък, поради което неговата инерция страда. Този тип части ще изискват по-твърди пружини.

Също така конструкцията на стеблото на този тип клапани е малко по-различна от всмукателните части. За да се осигури по-добро разсейване на топлината от елемента, лентата е по-дебела. Това увеличава устойчивостта на силно нагряване на детайла. Това решение обаче има недостатък - създава по-голяма устойчивост на отстранените газове. Въпреки това производителите все още използват този дизайн, тъй като отработените газове се отделят под силно налягане.

Днес има иновативно развитие на вентили с принудително охлаждане. Тази модификация има куха сърцевина. Течният натрий се изпомпва в кухината му. Това вещество се изпарява при силно нагряване (намира се близо до главата). В резултат на този процес газът абсорбира топлината от металните стени. Когато се издига нагоре, газът се охлажда и кондензира. Течността тече надолу към основата, където процесът се повтаря.

За да могат клапаните да осигурят плътността на интерфейса, в седалката и на диска е избрана фаска. Прави се и със скос, за да се премахне стъпката. Когато инсталирате клапаните на двигателя, те се втриват в главата.

Херметичността на връзката седалка-глава се влияе от корозията, образувана на рамото, а изходните части често страдат от въглеродни отлагания. За да удължат живота на клапаните, някои двигатели са оборудвани с допълнителен механизъм, който леко завърта клапана, когато изходът е затворен. Това премахва получените въглеродни отлагания.

Понякога се случва стеблото на клапана да се счупи. Това ще доведе до падане на детайла в цилиндъра и повреда на двигателя. За повреда е достатъчно коляновият вал да направи няколко инерционни оборота. За да се предотврати тази ситуация, производителите на автоматични клапани могат да оборудват детайла със задържащ пръстен.

Малко за характеристиките на петата на клапана. Тази част е подложена на сила на триене, тъй като е засегната от гърбицата на разпределителния вал. За да се отвори клапанът, гърбицата трябва да го натисне надолу с достатъчно сила, за да компресира пружината. Този уред трябва да получи достатъчно смазване и за да не се износва бързо, той се втвърдява. Някои дизайнери на двигатели използват специални капачки, за да предотвратят износването на пръта, които са изработени от материали, устойчиви на такива натоварвания.

За да се предотврати засядането на клапана в втулката по време на нагряване, частта на стеблото близо до тарелката е малко по-тънка от тази близо до петата. За фиксиране на пружината на клапана се правят два канала в края на клапаните (в някои случаи и един), в които се вкарват крекерите на опората (неподвижна плоча, където опира пружината).

Клапанни пружини

Пружината влияе върху ефективността на клапана. Необходимо е, така че главата и седалката да осигуряват плътна връзка и работната среда да не прониква през образуваната фистула. Ако тази част е много твърда, гърбицата на разпределителния вал или петата на стеблото на клапана бързо ще се износят. От друга страна, слабата пружина няма да може да осигури плътно прилепване между двата елемента.

Тъй като този елемент работи при условия на бързо променящи се товари, той може да се счупи. Производителите на силови агрегати използват различни видове пружини, за да предотвратят бързи повреди. В някои срокове се инсталират двойни типове. Тази модификация намалява натоварването на отделен елемент, като по този начин увеличава неговия експлоатационен живот.

При този дизайн пружините ще имат различна посока на завоите. Това предотвратява попадането на частици от счупената част между завоите на другата. За направата на тези елементи се използва пружинна стомана. След като продуктът се формира, той се закалява.

По краищата всяка пружина е шлифована, така че цялата носеща част да е в контакт с главата на клапана и горната плоча, прикрепена към главата на цилиндъра. За да се предотврати окисляването на частта, тя е покрита със слой кадмий и поцинкована.

В допълнение към класическите клапани за синхронизация, пневматичен клапан може да се използва в спортни превозни средства. Всъщност това е същият елемент, само че той се задейства от специален пневматичен механизъм. Благодарение на това се постига такава точност на работа, че двигателят е способен да развива невероятни обороти - до 20 хиляди.

Подобно развитие се появи през 1980-те години. Допринася за по-ясно отваряне / затваряне на отворите, което нито една пружина не може да осигури. Този задвижващ механизъм се захранва от сгъстен газ в резервоар над клапана. Когато гърбицата удари клапана, силата на удара е приблизително 10 бара. Клапанът се отваря и когато разпределителният вал отслаби удара върху петата му, компресираният газ бързо връща детайла на мястото си. За да се предотврати спадане на налягането поради възможни течове, системата е оборудвана с допълнителен компресор, чийто резервоар е под налягане от около 200 бара.

Джеймс Елисън, PBM Aprilia, CRT тест, Херес, февруари 2012 г.

Тази система се използва в мотоциклети от клас MotoGP. Този транспорт с един литър обем на двигателя е способен да развие 20-21 хиляди оборота на коляновия вал. Един модел с подобен механизъм е един от моделите мотоциклети Aprilia. Мощността му беше невероятните 240 к.с. Вярно, това е твърде много за двуколесно превозно средство.

Водачи на клапаните

Ролята на тази част в работата на клапана е да гарантира, че той се движи по права линия. Втулката също помага за охлаждане на пръта. Тази част се нуждае от постоянно смазване. В противен случай пръчката ще бъде подложена на постоянен термичен стрес и втулката бързо ще се износва.

Материалът, който може да се използва за изработване на такива втулки, трябва да е топлоустойчив, да издържа на постоянно триене, добре да отвежда топлината от съседната част и да издържа на високи температури. Такива изисквания могат да бъдат изпълнени от перлитно сив чугун, алуминиев бронз, керамика с хром или хром-никел. Всички тези материали имат пореста структура, която помага да се запази маслото на повърхността им.

Втулката за изпускателния клапан ще има малко повече хлабина между стеблото, отколкото входящия еквивалент. Причината за това е по-голямото топлинно разширение на клапана за отстраняване на отпадъчните газове.

Седалки на клапана

Това е контактната част на отвора на главата на цилиндъра близо до всеки цилиндър и диска на клапана. Тъй като тази част на главата е изложена на механични и термични натоварвания, тя трябва да има добра устойчивост на висока температура и чести удари (когато автомобилът се движи бързо, оборотите на разпределителния вал са толкова високи, че клапаните буквално попадат в седалката).

Ако блокът на цилиндъра и главата му са изработени от алуминиева сплав, седалките на клапаните задължително ще бъдат направени от стомана. Чугунът вече се справя добре с такива товари, така че седлото в тази модификация е направено в самата глава.

Предлагат се и вградени седла. Изработени са от легиран чугун или топлоустойчива стомана. За да не се износва толкова много фаската на елемента, тя се извършва чрез наслояване на топлоустойчив метал.

Вложната седалка е фиксирана в отвора на главата по различни начини. В някои случаи той се притиска и в горната част на елемента се прави жлеб, който по време на монтажа се запълва с метала на корпуса на главата. Това създава целостта на сглобката от различни метали.

Стоманената седалка е прикрепена чрез разширяване на горната част в тялото на главата. Има цилиндрични и конични седла. В първия случай те са монтирани до ограничителя, а вторият имат малка крайна междина.

Брой клапани в двигателя

Стандартният 4-тактов двигател с вътрешно горене има един разпределителен вал и два клапана на цилиндър. При този дизайн едната част е отговорна за впръскването на смес от въздух или само въздух (ако горивната система има директно впръскване), а другата е отговорна за отстраняването на отработените газове в изпускателния колектор.

По-ефективна работа при модификацията на двигателя, при която има четири клапана на цилиндър - по два за всяка фаза. Благодарение на този дизайн се осигурява по-добро запълване на камерата с нова порция VTS или въздух, както и ускорено отстраняване на отработените газове и вентилация на кухината на цилиндъра. Автомобилите започват да се оборудват с такива двигатели от 70-те години на миналия век, въпреки че разработването на такива агрегати започва през първата половина на 1910-те.

Към днешна дата, за да се подобри работата на силовите агрегати, има разработка на двигател, в която има пет клапана. Две за изхода и три за входа. Пример за такива агрегати са моделите на концерна Volkswagen-Audi. Въпреки че принципът на действие на ангренажния ремък в такъв двигател е идентичен с класическите версии, дизайнът на този механизъм е сложен, поради което иновативното развитие е скъпо.

Подобен нетрадиционен подход се използва и от автомобилния производител Mercedes-Benz. Някои двигатели от този автомобилен производител са оборудвани с три клапана на цилиндър (2 всмукателни, 1 изпускателен). Освен това във всяка камера на тенджерата са монтирани две свещи.

Производителят определя броя на клапаните според размера на камерата, в която влиза гориво и въздух. За да се подобри пълненето му, е необходимо да се осигури по-добър поток на прясната порция BTC. За да направите това, можете да увеличите диаметъра на отвора, а с него и размера на плочата. Тази модернизация обаче има свои граници. Но е напълно възможно да се инсталира допълнителен всмукателен клапан, така че автомобилните производители разработват точно такива модификации на цилиндровата глава. Тъй като скоростта на всмукване е по-важна от изпускателната тръба (изпускателната тръба се отстранява под натиска на буталото), с нечетен брой клапани, винаги ще има повече всмукателни елементи.

От какво са направени клапаните

Тъй като клапаните работят при максимална температура и механично напрежение, те са изработени от метал, който е устойчив на такива фактори. Повечето от всичко се загрява, а също така се сблъсква с механично напрежение, мястото на контакт между седалката и диска на клапана. При високи обороти на двигателя клапаните бързо потъват в седалките, създавайки шок по краищата на детайла. Също така, в процеса на изгаряне на смес от въздух и гориво, тънките ръбове на плочата се подлагат на рязко нагряване.

В допълнение към диска на клапана, клапаните на клапаните също са под напрежение. Негативните фактори, които водят до износване на тези елементи, са недостатъчно смазване и постоянно триене при бързо движение на клапана.

Поради тези причини на клапаните се налагат следните изисквания:

1. Те трябва да запечатат входа / изхода;
2. При силно нагряване ръбовете на плочата не трябва да се деформират от удари върху седлото;
3. Трябва да бъде добре рационализиран, така че да не се създава съпротива срещу входящата или изходящата среда;
4. Частта не трябва да е тежка;
5. Металът трябва да е здрав и издръжлив;
6. Не трябва да претърпява силно окисляване (когато колата рядко кара, ръбовете на главите не трябва да ръждясват).

Частта, която отвори дупката при дизеловите двигатели, се загрява до 700 градуса, а при бензиновите - до 900 над нулата. Ситуацията се усложнява от факта, че при толкова силно нагряване отвореният клапан не се охлажда. Изпускателният клапан може да бъде направен от всяка високолегирана стомана, която може да издържи на висока температура. Както вече споменахме, един клапан е направен от два различни вида метал. Главата е направена от високотемпературни сплави, а стеблото е изработено от въглеродна стомана.

Що се отнася до входящите елементи, те се охлаждат чрез контакт със седалката. Температурата им обаче също е висока - около 300 градуса, така че не се допуска детайлът да се деформира при нагряване.

Хромът често се включва в суровината за клапаните, което увеличава неговата термична стабилност. По време на горенето на бензин, газ или дизелово гориво се отделят някои вещества, които могат агресивно да повлияят на метални части (например оловен оксид). Никел, манган и азотни съединения могат да бъдат включени в материала на главата на клапана, за да се предотврати нежелана реакция.

И накрая. За никого не е тайна, че клапаните във всеки двигател изгарят с течение на времето. Ето кратко видео за причините за това:

ПРИЧИНИТЕ, КОИТО КЛАПОВИТЕ ГОРЯТ В ДВИГАТЕЛ НА КОЛА 95% от шофьорите НЕ ГО ЗНАХА

Въпроси и отговори:

Какво правят клапаните в двигателя? Когато се отварят, всмукателните клапани позволяват на свеж въздух (или смес въздух/гориво) да тече в цилиндъра. Отворените изпускателни клапани отвеждат изгорелите газове към изпускателния колектор.

Как да разберем, че клапаните са изгорели? Ключова характеристика на изгорелите клапани е тройното движение на двигателя независимо от оборотите. В същото време мощността на двигателя е прилично намалена, а разходът на гориво се увеличава.

Кои части отварят и затварят клапаните? Стъблото на клапана е свързано с гърбиците на разпределителния вал. В много съвременни двигатели между тези части са монтирани и хидравлични повдигачи.