Выпускной клапан — элемент газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания. Обеспечивает выпуск отработавших газов из камеры сгорания.

Камера сгорания должна быть герметичной в момент, когда в ней вспыхивает топливо. После того как энергия вспышки израсходована, из камеры необходимо удалить отработавшие газы, заполнить ее воздухом и бензином, и подготовить к новой вспышке. Для удаления выхлопных газов в головке блока цилиндров установлены тарельчатые клапана, обеспечивающие надежную герметизацию камеры сгорания в момент, когда они закрыты.

Конструкция выпускного клапана

Выпускные клапаны расположены в головке блока цилиндров. Впуск топливо-воздушной смеси в цилиндр происходит при условии разрежения в камере сгорания, а выпуск – в условиях повышеного давления. Это значит, что после сгорания газы стремятся просочиться наружу, и для их выпуска достаточно открыть клапан. Поэтому, кстати, выпускные клапана всегда меньше, чем впускные — всасывающая сила разрежения уступает силе давления, выталкивающей газы наружу.

Клапанный механизм требует точной регулировки. Если клапан закрывается слишком рано, недогоревшие газы очень быстро сожгут его

Для надежной герметизации камеры сгорания во всех современных двигателях используются тарельчатые клапаны. Преимуществ у такой конструкции несколько. Клапан, состоящий из тарелки, и стержня, прост и надежен, как гвоздь. Переход от фаски к стержню выполнен плавно, что придает клапану необходимую прочность. Кроме того, коническая форма перехода способствует уменьшению сопротивления газов и улучшению герметизации.

Теория ДВС: ГБЦ ВАЗ 21083 пример "быдло"-тюнинга

Принцип работы газораспределительного механизма

Впускные и выпускные клапана. Потенциал для тюнинга. Откуда берётся МОЩНОСТЬ?

Впускные и выпускные клапаны

При разработке головке цилиндров очень важно получить не только максимальную мощность, но и большой поток. При этом в камеры сгорания должны быть установлены максимально большие клапаны. Размер клапанов ограничивается только размером камеры, куда они будут установлены. При этом следует максимально практично распределить пространство камеры сгорания между выпускным и впускным клапаном. Поэтому попробуем разобрать, что более целесообразно: клапаны одинакового размера или один из клапанов больше второго. Решение этого вопроса лежит в принципе действия клапанов. Выпускной клапан используется для выхода отработанных газов из системы. А из-за того, что объем таких газов больше, чем тех, которые были втянуты в систему, то большой выпускной клапан – это вполне рациональное решение. Но не стоит забывать, что для опустошения цилиндра необходимо больше мощности, чем для его наполнения. Доказано, что наилучшее соотношение размеров впускного и выпускного клапанов – это 4:3. Следовательно, и соотношение потоков через данные клапана аналогично их размерам. Данное правило используется в том случае, если клапаны занимают все пространство камеры сгорания, то есть для автомобилей, главная задача которых выдавать большую мощность.

А для автомобилей, мощность для которых не является основным приоритетом, клапаны имеют меньший размер и не занимает все пространство камеры сгорания. Поэтому соблюдения этого соотношения размеров впускного и выпускного клапана не насколько важно. Правило 4:3 можно игнорировать, если не требуется максимальная мощность автомобиля, а также, если в нем используется турбонаддув и система впрыска закиси азота. Для таких автомобилей рекомендуется применять соотношение 10:9. При необходимости соотношение может быть изменено в пользу выпускного клапана. Однако выпускной клапан повышенного размера устанавливается также с впускным клапаном обычного размера. Дело в том, что внутри головки блока находится водяная рубашка, расположенная возле седел выпускного клапана. Именно она дает возможность клапанам не нагреваться. Однако именно из-за этого довольно часто невозможно установить клапаны во всем объеме камеры сгорания. А из-за тепла, которое выделяется при больших мощностях, снижается долговечность головки, а седла быстрее изнашиваются. В том случае, если не требуется высокая мощность двигателя, а основная цель – это экономия топлива, можно увеличить размер выпускного клапана по сравнению с размером впускного. Такое соотношение достигает 0,75 к 1. К тому же при таком соотношение значительно возрастает долговечность мотора. Однако не стоит забывать, что при чрезмерном увеличении этого соотношения в пользу выпускных клапанов экономия топлива снижается, так же как и мощность двигателя.

Принцип работы выпускного клапана

Выпускной клапан открывается от усилия кулачка распределительного вала. Возвратно-поступательные движения шток клапан совершает во втулке, запрессованной в головку блока цилиндров.

В головке же находится и седло клапана. По сути, это углубление, чья форма соответствует форме верхней части тарелки. Седло и тарелка с высокой точностью притираются друг к другу. Это исключает прорыв газов из камеры сгорания в момент, когда клапана закрыты.

При появлении первой трещины на тарелке процесс разрушения приобретает характер цепной реакции. Чем больше трещина, тем больше перегрев от прорывающихся наружу струй несгоревшего топлива

Верхняя часть стержня выпускного клапана имеет выточку. В нее устанавливаются «сухари» – разрезанное на две половины коническое кольцо. С их помощью тарелка пружины держится на клапане. Пружина создает усилие, необходимое для возврата клапана в закрытое положение.

Отдельные автомобильные двигатели имеют специальный механизм для принудительного проворачивания клапана. Таким образом обеспечивается равномерный износ детали.

Выпуск отработанных газов происходит в тот момент, когда поршень цилиндра движется от нижней мертвой точки к верхней. Выпускной клапан ДВС работает в условиях повышенной нагрузки. Нагрев головки клапана во время работы двигателя может достигать 800 градусов.

Повреждения клапанов

В механизме газораспределения наиболее уязвимым элементом являются впускные и выпускные клапаны, испытывающие высокие механические и тепловые нагрузки. Наибольшую опасность представляют тепловые нагрузки, определяемые условиями работы клапанов в зоне высоких температур омывающих их газов. Наибольшие температуры имеют выхлопные клапаны. (Рис 11.9) иллюстрирует температуры выхлопных клапанов 2-х тактного и 4-х тактного двигателей. Чтобы поднять работоспособность клапанов двигателестроители стремятся не выходить за пределы 500-520°С.
Причины повреждений.

• При превышении температур сверх 650° С материал клапанов теряет свои прочностные свойства, одновременно создаются неблагоприятные условия для возникновения высоко-температурной коррозии.
• Часто повторяющиеся смены температур от высоких до низких провоцируют возникновение термоусталостных трещин в зонах перехода тарелки клапана в шток или в районе проточек под сухарики.
• Появление на теле клапана глубоко проникающего окисления и окалинообразования; цвета побежалости на штоке клапана свидетельствуют о высокотемпературном окислении в связи с нагревом штока в его направляющей втулке.
• При превышении температур сверх предела ползучести тарелка клапана деформируется и приобретает форму чаши. При небольших деформациях нарушается плотность посадки, а при более серьезных не исключена поломка тарелки.
• Поломки тарелок возможны также при нарушении фаз газораспределения и ударе клапана по поршню. Более серьезные повреждения происходят при разносе двигателя, сухарики выскакивают из тарелки клапана, клапан проваливается вниз и попадает под поршень. Клапаном пробивается огневое днище крышки цилиндра, вода проникает в камеру сгорания, происходит гидравлический удар в цилиндре, сопровождающийся изгибом шатуна и прочими повреждениями.

Потеря плотности клапанов происходит по ряду причин, к числу которых относятся:

• Эрозионное изнашивание посадочного конуса тарелки клапана и его седла, отсутствие вращения;
• отложения кокса и золы на тарелке;
• деформация клапана;
• нарушение центровки оси клапана в направляющей;
• прогорание посадочной поверхности вследствие высокотемпературной коррозии, вызванной наличием в топливе ванадия и натрия.
• Низкотемпературная коррозия, вызванная высоким содержанием в топливе серы и низкими температурами клапана (впускные клапаны).

Низкотемпературной коррозии в основном подвергаются впускные клапаны, имеющие более низкую температуру и поэтому на них, особенно в зоне штоков, конденсируются пары воды и серной кислоты, образующейся при сгорании сернистого топлива. Характерные признаки: наличие питтинговых язвин, на штоках и рабочих конусах седел и клапанов, шероховатость и потемнение поверхностей.
Источник

Характерные поломки выпускных клапанов

Агрессивные отработанные газы вызывают коррозию выпускных клапанов. Продукты неполного сгорания топлива приводят к прогоранию.

После определенного периода работы тарелка выпускного клапана и седло в головке блока покрываются нагаром.

Высокая температура накаляет нагар. Происходит выжигание опорной поверхности выпускного клапана. Это влечет за собой потерю герметичности. Появляются нарушения в работе двигателя: падает мощность, затрудняется запуск двигателя. В образовавшиеся щели устремляется под давлением струя горячих неотработанных газов. Это еще сильнее нагревает головку клапана. Как результат – деформация головки и разрушение клапана. При разрушении клапана работа цилиндра фактически прекращается.

Конструкция клапанов двигателя

Механизм привода клапанов – это часть более крупного газораспределительного механизма (ГРМ). По конструкции ГРМ может быть с верхним или с нижним расположением клапанов. В современных двигателях чаще применяется первая схема.

Посредством клапана в цилиндр напрямую подается топливовоздушная смесь в точной дозировке. Также может осуществляться подача просто воздуха. Выпуск отработавших газов из цилиндра происходит аналогично при помощи клапана. Поэтому четырехтактный двигатель внутреннего сгорания должен иметь на каждый цилиндр минимум два клапана, чтобы реализовывался принцип его работы.

По прямому назначению клапаны можно поделить на два вида:

• впускной клапан;
• выпускной клапан.

Частью клапана является его тарелка. Конструкция современных двигателей такова, что клапаны расположены в головке блока цилиндров (сокращенно ГБЦ). Место контакта клапана и ГБЦ называется седлом клапана. Седло изготавливают из стали или чугуна и запрессовывают в ГБЦ.

Чтобы цилиндр наполнялся топливно-воздушной смесью или воздухом максимально эффективно, тарелка впускного клапана должна превышать тарелку выпускного по диаметру. Это главное отличие между впускными и выпускными клапанами. Благодаря большему диаметру тарелки впускной клапан наполняет цилиндр воздухом или топливной смесью более качественно.

Однако есть причины для увеличения диаметра тарелки и выпускного клапана. К примеру, это улучшает очистку цилиндров от продуктов горения. Однако нельзя увеличивать диаметры тарелок обоих клапанов до бесконечности – они должны поместиться в геометрические размеры камеры сгорания, расположенной в головке блока цилиндров.

Во время работы клапаны мотора подвергаются большим нагрузкам как по механическим параметрам, так и по температуре. По этой причине изготавливают их из специальных сплавов, способных противостоять высокой температуре и механическому разрушению. Особо усиливают кромку тарелки, да и ей самой придают дополнительную механическую прочность при помощи напыления из керамики. Впускной клапан имеет обычно стержень из цельного куска металла, а вот стержень выпускного содержит внутри полость с натрием. Это обеспечивает ему повышенную теплопроводность для быстрого отведения тепла от тарелки клапана.

Поверхность прикосновения тарелки клапана к блоку цилиндров называется фаской. В этом месте очень нежелательно образование нагара. Чтобы предотвратить такое явление, а также более равномерно распределить тепло, в конструкции механизма клапанов применяется определенное инженерное решение. А именно клапан вращается во время работы двигателя.

В настоящее время чаще всего используются ДВС с четырехклапанной схемой. То есть каждый цилиндр такого мотора имеет два впускных и два выпускных клапана. Когда клапан на впуске опускается, открывается кольцевой проход между седлом и тарелкой. Через этот проход осуществляется наполнение цилиндра топливно-воздушной смесью или просто воздухом. Площадь сечения прохода напрямую влияет на скорость наполнения цилиндра и, как следствие, на производительность мотора.

Кроме вышеописанной схемы, встречаются двух-, трех- и пятиклапанные. У двухклапанной системы один впускной и один выпускной клапан в каждом из цилиндров. Трехклапанная содержит два впускных и один выпускной. Если клапанов пять, три служат для впрыска и два для выпуска отработавших газов. Количество клапанов определяется размером камеры сгорания в конкретном двигателе, типом привода клапанов. Также число клапанов зависит от форсированности ДВС и других показателей.

Клапан открывается за счет нажатия на его стержень. Осуществляет это нажатие привод. Таким образом посредством привода клапана происходит передача усилия от распределительного вала. В современных двигателях реализовано две основных схемы привода: передача движения от гидравлических толкателей или привод, базирующийся на роликовых рычагах.

Закрывается клапан посредством пружины, подобранной по жесткости. Благодаря давлению пружины тарелка клапана герметично перекрывает каналы впуска и выпуска. Для удержания клапана на стержне служат сухари и тарелка клапанной пружины. Однако двигатель в работающем состоянии, особенно при нагрузке, способен вызывать на клапанах резонансные колебания. Для борьбы с этим эффектом устанавливают две пружины, витки которых имеют разное направление.

Способы защиты от перегрева

Чтобы противостоять эрозии от перегрева выпускные клапаны изготавливаются из жаростойкой стали (хромникельвольфраммолибденовая сталь).

При замене разрушенного клапана притирка к седлу — абсолютно обязательна. Если клапан не притереть, его придется менять снова, и очень скоро

Основа сплава, из которого производятся выпускные клапана — никель. Этот металл повышает сопротивляемость клапана к механическому износу. Поскольку выпускной клапан подвергается большей термической нагрузке, чем впускной, он имеет другую структуру. Стержень выпускного клапана делается полым. Внутренняя полость заполняется металлическим натрием. Это необходимо для улучшения теплообмена.

Современные технологии дают возможность дополнительно защитить выпускные клапаны от агрессивного воздействия.

Самый универсальный способ — плазменно-порошковая наплавка. Кроме этого, существуют методы лазерного легирования и наплавки токами высокой частоты. Эти методы защиты увеличивают стоимость детали, но существенно продлевают срок ее службы.

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.

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.