Устройство автомобилей

Устройство автомобилей

Завершающим звеном механизма газораспределения является клапанная группа, которая включает в себя клапан, пружину, детали крепления клапана и пружины, направляющую втулку и седло клапана.

Клапанная группа работает при больших механических и тепловых нагрузках. Наиболее нагруженным является сопряжение «клапан-седло». Эти детали подвергаются наибольшим ударным воздействиям при посадке клапана в седло, и работают в условиях высоких температур.

Сопряжение «клапан-седло-направляющая втулка» работает при недостаточном смазывании и высокой скорости перемещения клапана, что вызывает их интенсивное изнашивание.

Исходя из условий, в которых работают детали этой группы ГРМ, к клапанной группе предъявляются следующие требования:

• герметичное закрытие клапанов;
• малое сопротивление рабочей смеси и отработавшим газам при впуске и выпуске (хорошая обтекаемость);
• минимальная масса деталей;
• высокая прочность и жесткость;
• высокая тепловая стойкость;
• эффективный отвод тепла от клапана (особенно для выпускного);
• высокая износостойкость (особенно в сопряжении «втулка-клапан»);
• высокая коррозийная стойкость в сопряжении «седло-клапан».

Клапаны

Клапаны открывают и закрывают впускные и выпускные отверстия в головке блока цилиндров. Основные элементы клапана: головка 12 и стержень 9 (рис. 1). Головку клапана иногда называют тарелкой клапана.
Плавный переход от головки к стержню снижает сопротивление потоку газов при их истечении через газообменные отверстия. Поскольку отработавшие газы удаляются через выпускной клапан при значительном давлении, головку этого клапана обычно выполняют меньшего диаметра, чему головку впускного клапана.
Температура головки выпускного клапана бензиновых двигателей достигает 800…900 ˚С, а в дизельных двигателях – 500…700 ˚С.
Температурная нагрузка на головки впускных клапанов значительно ниже, тем не менее она приводит к нагреву тарелки клапана до 300 ˚С.

Поэтому для изготовления выпускных клапанов применяются жаропрочные сплавы и материалы, в качестве которых обычно используют жаропрочные стали с большим содержанием легирующих присадок. В целях экономии дорогостоящих жаростойких материалов выпускные клапаны изготовляют из двух частей. При этом для головки используется жаростойкий материал, а для стержня – углеродистые стали.
Головка и стержень в данном случае соединяются между собой стыковой сваркой.

Для повышения коррозийной стойкости и уменьшения изнашивания в выпускных клапанах рабочие поверхности фаски, а в некоторых случаях и поверхность головки со стороны цилиндра наплавляют слоем твердого сплава толщиной 1,5…2,5 мм (рис. 1).

Так как впускные клапаны омываются свежим зарядом и находятся в более легких температурных условиях, к материалу впускных клапанов предъявляются менее жесткие требования и для их изготовления используются хромистые и хромоникелевые среднеуглеродистые стали.

Обтекаемость клапана, работоспособность его фасок во многом зависит от формы головки. Для впускных клапанов чаще используют головки плоской формы (см. рис. 1 и 2), отличающиеся простотой конструкции и достаточной жесткостью. В форсированных двигателях иногда применяют впускные клапаны с вогнутыми головками (см. рис. 1, в). Такие клапаны имеют меньшую массу, чем клапаны с плоской головкой и их движение вызывает меньшие инерционные нагрузки.

Головки выпускных клапанов выполняются или плоскими (рис. 1, 2 и 3, г), или выпуклыми (рис. 3, б). Выпуклая форма головки способствует улучшению обтекаемости клапана со стороны цилиндра и повышению его жесткости, но вместе с тем увеличивается и масса клапана, что отрицательно сказывается на его инерционности.

Сопряжение между тарелкой (головкой) клапана и седлом осуществляется по фаске – специальному пояску на боковой поверхности головки. Угол наклона фаски у впускных клапанов для большинства двигателей составляет 45˚, а у выпускных – 45 и 30˚.
В процессе изготовления клапанов фаски головок шлифуют, а при установке на двигатель притирают к седлу. Ширина притертого пояска фаски для выпускных клапанов должна быть не менее 0,8 мм; для впускных клапанов допускается более узкий поясок, который, тем не менее, не должен прерываться по периметру окружности фаски.
Для обеспечения надежного контакта между клапаном и седлом по наружной кромке фаски клапана угол фаски клапана делают на 0,5…1˚ меньше угла фаски седла.

Коррозийный и механический износ фасок на клапане и седле резко снижает эффективность работы двигателя. На фасках выпускных клапанов в процессе работы постепенно откладывается нагар, который тоже препятствует герметичному закрыванию выпускного отверстия. Для предотвращения образования нагара на фасках выпускных клапанов и повышения их долговечности, в некоторых двигателях выпускной клапан в процессе работы принудительно проворачивается с помощью специального механизма (см. рис. 1, поз. 5).

Механизм принудительного вращения клапана (рис. 4) состоит из неподвижного корпуса 3, расположенных в углублениях этого корпуса пяти шариков 2 с возвратными пружинами 1, конической дисковой пружины 4, опорной тарелки 5 и пружины клапана 7.
Все детали в собранном состоянии скрепляются пружинным кольцом 6.

При открытии клапана от усилия пружины дисковая пружина 4, опирающаяся при закрытом клапане на буртик корпуса 3, деформируется и ложится на шарики 2, которые в это время располагаются в мелкой части углубления корпуса.
Под давлением пружины шарики перекатываются по углублению корпуса в более глубокую часть, поворачивая при этом коническую пружину 4, опорную тарелку 5, пружину клапана и сам клапан вокруг его оси.

После закрытия клапана, когда усилие пружины клапана уменьшается, коническая дисковая пружина 4 возвращается в исходное положение, при этом шарики освобождаются и возвратными пружинами 1 перемещаются в более мелкую часть углубления в корпусе 3, подготавливая механизм к следующему циклу работы.

В двигателях марок «ЗМЗ», «ЯМЗ» возможность проворачивания в процессе работы впускных и выпускных клапанов обеспечивается установкой между опорной тарелкой и сухарями промежуточной втулки (см. рис. 1, поз. 13; рис. 2, поз. 11; рис. 3, поз. 4).

Промежуточные втулки имеют небольшую контактную поверхность с подвижными опорными тарелками пружин, следовательно, трение между этими деталями невелико. Поэтому при открытии клапана вследствие вибрации всех деталей механизма клапан периодически поворачивается.

Ниже фаски головка клапана имеет цилиндрический поясок, который предохраняет ее от обгорания, сохраняет диаметр тарелки клапана при перешлифовке и обеспечивает жесткость головки.

Для предотвращения падения клапана в цилиндр при поломке хвостовика стержня или клапанной пружины, на его стержне может устанавливаться пружинное стопорное кольцо (см. рис. 3, д, поз. 1).

Торцы стержней (пятки клапанов), находящиеся в контакте с коромыслом или кулачком, подвергаются закаливанию. В некоторых двигателях вместо закаливания на концы стержней надеваются колпачки (см. рис. 1, поз. 21) из износостойких материалов и сплавов.

На стержень впускных клапанов надевают резиновый колпачок (см. рис. 3, е, поз. 5), который во время такта впуска препятствует проходу масла в камеру сгорания через зазор между стержнем и направляющей втулкой клапана.

Для предотвращения заклинивания выпускных клапанов в отверстии направляющей втулки при температурном расширении, их стержни вблизи головки выполняют несколько меньшего диаметра, чем по остальной длине.

Для крепления клапанных пружин на конце стержня выполняются одна или две выточки, в которые при сборке входят выступы сухарей 2 (рис. 3, д, е).

Для понижения температуры выпускных клапанов диаметр их головок уменьшают, а диаметр стержня увеличивают. Такое техническое решение позволяет повысить тепловую стойкость клапана, но увеличивает сопротивление потоку выпускаемых газов. Впрочем, поскольку выброс отработавших газов из цилиндра осуществляется под значительным давлением (по сравнению с давлением впуска), то этим недостатком пренебрегают.

Более эффективным является способ принудительного охлаждения выпускных клапанов. Для этого стержень выпускного клапана делают пустотелым (см. рис. 1, а, в) и заполняют металлическим натрием, который имеет низкую температуру плавления (97 ˚С). При работе жидкий натрий, нагреваясь от головки клапана, испаряется, поглощая большое количество теплоты. Поднявшись в верхнюю часть стержня, пары натрия конденсируются и передают теплоту верхней части стержня, которая работает в менее теплонапряженных условиях.

Клапанные пружины

Клапанная пружина должна обеспечивать плотную посадку клапана в седло. Она работает в условиях резко меняющихся динамических нагрузок, способных вызвать резонанс и последующую поломку пружины.
Чаще всего применяют цилиндрические винтовые пружины с постоянным шагом витков.
Для предотвращения резонансных явлений могут применяться пружины с переменным шагом, конические пружины и двойные пружины. При использовании двойных пружин возрастает надежность работы ГРМ и уменьшается общий размер пружин.
Направление витков внутренней и внешней пружин выполняют разным, чтобы исключить резонанс и, в случае поломки одной из пружин, предотвратить попадание обломков между витками второй пружины.

Клапанные пружины изготавливают навивкой проволоки из пружинной стали. После навивки пружины подвергаются термической обработке (закалка и отпуск), а для повышения усталостной прочности обдуваются стальной дробью.

Концевые витки пружин шлифуются для получения плоской кольцевой опорной поверхности. Для повышения коррозионной стойкости пружины оксидируют, оцинковывают и кадмируют.

Пружины опираются на головку блока цилиндров через специальные неподвижные тарелки (см. рис. 2, поз. 4), которые штампуются, как и верхние подвижные тарелки из малоуглеродистой стали. Верхняя тарелка пружины фиксируется на клапане с помощью сухарей.

Направляющие втулки клапанов

Направляющая втулка обеспечивает перемещение клапана и отвод теплоты от его стрежня во время работы. При этом нижний конец самой втулки (особенно выпускного клапана) омывается горячими газами. При недостаточном поступлении смазочного материала в зазоры между стержнем клапана и внутренней поверхностью втулки трение между этими деталями приближается к полусухому.
По этой причине к материалу направляющих втулок предъявляются требования высокой износостойкости, достаточной жаростойкости и хорошей теплопроводности. Кроме того, он должен обладать высокими антифрикционными качествами. Этим требованиям удовлетворяют перлитные серые чугуны, алюминиевые бронзы, спекаемая хромистая или хромоникелевая керамика. Пористая структура данных материалов хорошо удерживает смазочный материал.

Для фиксации в головке блока цилиндров втулки выполняются с выточкой под пружинное кольцо (см. рис. 3, а, поз. 1) или с наружными заплечиками.

Зазор между направляющей втулкой и стержнем клапана для впускных клапанов устанавливается меньше, чем для выпускных, из-за разной температуры нагрева. Для предотвращения заклинивания клапана во втулке при высокой температуре и перекоса (в приводе клапана непосредственно от распределительного вала) нижнюю внутреннюю поверхность втулки выполняют конусной (см. рис. 3, г) или уменьшают диаметр стержня клапана у головки (см. рис. 1, б).

Седла клапанов

Седло клапана обеспечивает долговечность контактной зоны клапана с головкой блока цилиндров. В головках из алюминиевого сплава используют стальные седла, а в чугунных головках они растачиваются непосредственно в теле (см. рис. 2, а). Для изготовления вставных седел используют специальные легированные чугуны или жаростойкие стали. Для повышения износостойкости фаски седел выпускных клапанов наплавляются слоем твердого сплава (см. рис. 1, поз. 18).

Седло представляет собой кольцо с цилиндрической или конической наружной поверхностью. Крепится седло в головке с натягом при запрессовке или путем расчеканивания головки (см. рис. 3, к). Стальные седла могут крепиться развальцовкой верхней части седла (см. рис. 3, л). При креплении седел запрессовкой на их наружной поверхности часто выполняются кольцевые проточки (см. рис. 3, з, и), которые в процессе запрессовки заполняются металлом головки.

Цилиндрические седла вставляются до упора, а конические – с небольшим торцевым зазором.

Для получения надежного уплотнения поясок седла шириной около 2 мм выполняют с переменным углом (см. рис. 3, ж).

Что является причиной появления отложений на впускных клапанах?

Отложения на впускном клапане образуются в результате медленного просачивания масла через уплотнения направляющих впускного клапана и вниз по направляющим клапана. Для смазки направляющих требуется небольшое количество масла, но когда масло достигает горячей поверхности клапана, оно может прилипнуть и сгореть, образуя тяжелые черные углеродистые отложения, которые постепенно накапливаются со временем. Чем больше пробег двигателя и чем больше износ направляющих и уплотнений, тем быстрее накапливаются отложения на впускных клапанах.

Моторные масла с низкой вязкостью (например, 5W-20 и 0W-20) могут усугубить проблему, поскольку они легче текут по направляющим клапана. Обычные моторные масла в равной степени имеют более низкую температуру горения, чем синтетические масла, которые могут в равной степени увеличивать образование отложений с течением времени.

Другим фактором, ответственным за образование отложений на впускных клапанах, являются несгоревшие пары топлива и пары масла, которые откачиваются обратно во впускной коллектор через систему принудительной вентиляции картера. Это выполняется для контроля выбросов в картер двигателя и для удаления влаги из масла (что помогает продлить срок службы масла). Пары топлива, частиц углерода и масла, которые система принудительной вентиляции картера направляет обратно во впускной коллектор, возвращаются в двигатель для снижения загрязнения. Но эти же пары могут образовывать нагар и отложения углерода на впускных клапанах.

Чем больше циркуляция воздуха в двигателе из-за износа цилиндров и поршневых колец, тем больше объем паров, которые втягиваются обратно в двигатель системой. Двигатели с большим пробегом обычно подвержены большей циркуляции воздуха, поэтому накопление отложений на впускных клапанах часто происходит быстрее.

Обслуживание сливной и впускной арматуры

Так как практически любая водопроводная вода содержит механические и химические примеси, необходимо время от времени промывать оборудование — запорное кольцо, фильтр заливного клапана для унитаза.

Песчинки, отложение солей и ржавчины, могут вывести из строя оборудование.

Чтобы избежать сильного загрязнения, кольцо промывают водой. Чтобы добраться до него, откручивают кнопку слива, снимают крышку бака. Вытягивают корпус клапана, проворачивая его против часовой стрелки.

Для устранения течи в районе сливного клапана чаще всего требуется провести его замену:

Для замены поврежденного смывного клапана отключаем поставку воды в бачок и просушиваем его изнутри губкой

Устройство выпускного коллектора

Задача выпускного коллектора – отведение выхлопных газов. На такте выпуска одноименные клапана открываются, и под воздействием движущегося наверх поршня газы попадают в коллектор.

Он тоже подсоединен через прокладку разветвленной частью к ГБЦ, однако, посадочное место у него свое. Пройдя через коллектор, выхлопные газы попадают в приемную трубу, далее (на современных авто) в катализатор, где оседает значительная часть вредных веществ, потом в резонатор, снижающий громкость выхлопа, затем в глушитель, где звук исчезает полностью, и отводятся в атмосферу. У моторов с турбонаддувом газы после коллектора оказываются в специальном канале и крутят турбину, и только потом уходят в приемную трубу.

У инжекторных двигателей и современных дизелей в конструкции выпускного коллектора предусмотрено место для установки лямбда-зонда – датчика, который контролирует количество различных газов в выхлопе.

Основываясь в том числе и на показаниях лямба-зонда, электронный блок управления двигателем соответствующим образом дозирует подачу топлива, что приводит к возникновению взаимосвязи при работе коллекторов.

Профилактика

Чтобы не допустить поломки клапанов, рекомендовано придерживаться нескольких правил.

1. Заменять ремень ГРМ в свой срок. Это расходный материал, имеющий определённый ресурс. Для большинства моторов он составляет 100 тыс. км пробега машины, но только при условии, что деталь оригинального производства. Контрафактные изделия рвутся уже на малых пробегах — через 5-7 тыс. километров. Поэтому следить за его состоянием следует как можно чаще.
2. Регулярно проверять работу помпы, которая соприкасается с ремнём в конструкции многих современных автомобилей. Изнашивается насос примерно на тех же пробегах, что и ремень.
3. Следить за состоянием распредвала, который изнашивается на пробеге двигателя от 150 тыс. км и выше. Заклин распределительного вала или поломка обязательно приведёт к обрыву ремня.
4. Проверять состояние натяжного механизма. Как известно, ремень вращается на роликах, тоже подверженных механическому износу. Их надо периодически смазывать, подтягивать, а при необходимости — устанавливать новые.

Требует внимания и цепной привод. Хотя он считается более надёжным, но гнёт клапаны и у него. Либо растягиваются звенья металлической цепи, либо выходит из строя навесное оборудование — успокоители, ролики.

Предотвратить загиб элементов можно также, сделав углубления на головках поршней, соответствующие размерам стержней клапанов. При обрыве ремня или проскоке цепи, стержни войдут в эти самые углубления и останутся там. Однако данный способ имеет недостаток — двигатель потеряет около 7% своей мощности.

Краткие сведения

Клапаны имеют простую конструкцию и отличаются высокой износостойкостью. Последнее обусловлено материалом изготовления, который должен выдерживать повышенные нагрузки.

Сам клапан состоит из нескольких участков:

тарелки (нижняя расширенная часть детали);

Место контакта тарелки и головки блока цилиндров называют седлом. Оно изготавливается из стали или чугуна и запрессовывается в ГБЦ.

По своему назначению клапаны бывают двух видов:

Впускной

Отвечает за подачу топливовоздушной смеси в цилиндро-поршневую систему. Имеют цельный стержень и, обычно, тарелку большего диаметра для улучшения рабочих свойств.

Выпускной

Отвечает за отвод отработанных газов в процессе работы ДВС. Стержень этого типа клапанов изготавливается полым; внутрь его помещается натрий. Такая конструкция позволяет охлаждать выпускной клапан, так как он подвержен более высокому нагреву, чем впускной. Для его производства обязательно используется жаростойкий металл.

Почему же возникает необходимость замены клапанов?

При обычных условиях эксплуатации клапаны могут подлежать замене по причине износа. Происходит это примерно через 300 тысяч км пробега.

Причин, послуживших необходимости внеплановой замены, обычно две: прогорание и деформация.

Преждевременное прогорание может случиться из-за:

постоянная езды на максимально возможных оборотах и, как следствие, детонирующий двигатель;

Деформируется клапан при обрыве цепи ГРМ или в том случае, когда она перемещается на несколько звеньев (такое случается при плохом натяжении). В результате стержень прогибается, что приводит к неплотному прилеганию тарелки к седлу.

Неисправности впускных клапанов и их замена

Если стиральный агрегат продолжительное время простоял без работы, а в стиральном барабане скопилась водопроводная вода, скорее всего требуется замена впускного клапана. Если стиральный агрегат, по какой-то причине простоял в помещении с минусовой температурой, то из-за замерзания скопившейся в нем воды может треснуть корпус устройства. В этом случае его также меняют целиком.

При плохом поступлении воды, иногда для восстановления работы достаточно очистить фильтрационную сетку. Для этого необходимо перекрыть воду и снять водоподводящий шланг и устранить загрязнение, вытащив сетку плоскогубцами и поставив затем на место.

Основной неисправностью электромагнитных клапанов является нарушение работы электромагнитной катушки. Если катушка перегорела и не втягивает шток, вода в стиральный бак не набирается вовсе. Большая часть современных агрегатов комплектуются электроклапанами, имеющими неразборную конструкцию, поэтому ремонту они не подлежат. Замену лучше производить с привлечением мастера. Можно осуществить ремонт и своими руками, приобретя новый наливной электроклапан, аналогичный вышедшему из строя. Для этого необходимо:

1. обесточить стиральный агрегат;
2. перекрыть подачу воды и отсоединить водоподводящий шланг;
3. снять крышку или боковую стенку (для машин с вертикальной загрузкой) стиральной машины;
4. отсоединить электропроводку и шланг (или шланги) связанные с отделом дозатора;
5. открутить болты фиксирующей пластины;
6. снять устройство;
7. проверить работоспособность при помощи мультимметра. Обмотка однокатушечного клапана должна «звониться» на 3,8 кОм (на старых моделях Samsung 4,5 кОм), для двойных и тройных катушек этот показатель составляет от 2-х до 4-х кОм;
8. заменить электроклапан на новый, осуществив сборку в обратном порядке.