Поступление топливной смеси в мотор автомобиля и выброс отработанных газов в атмосферу осуществляются через клапанные механизмы, которые входят в газораспределительный механизм (ГРМ). Клапанные механизмы позволяют обеспечить герметичность системы. Они должны обладать повышенной прочностью и надежностью, потому что работают в условиях повышенных температур и больших механических нагрузок.
Клапанный механизм и его внутреннее устройство
Цилиндры мотора оборудованы двумя клапанами. Рабочая смесь поступает через впускающих клапан, а через выпускающий элемент выводятся отработанные вещества. В состав устройства входят тарелка и стержень. Область сопряжения головки блока цилиндра (ГБЦ) с тарелкой называется седлом. По размеру клапаны впуска превосходят клапаны выпуска. Это обеспечивает хорошее наполнение камеры сгорания рабочей смесью.
В состав клапанного устройства входят следующие части:
- клапаны, обеспечивающие поступление рабочей смеси и отвод отработанных газов;
- маслоотражающие кольца, препятствующие проникновению смазки внутрь цилиндров;
- седло (область сопряжения тарелки и корпуса);
- пружина, обеспечивающая возвращение клапана в начальную позицию;
- толкатель, передающий силу на распредвал;
- сухари, обеспечивающие устойчивость пружины.
Кулачки, размещенные на распредвале, оказывают воздействие на клапаны. Пружины отвечают за возвращение клапанов в начальную позицию. Пружина фиксируется сухарями. Чтобы избежать резонансных колебаний, часто используют дополнительную пружину. На двух пружинах в этом случае используется навивка в разные стороны.
Правильное движение стержня обеспечивается направляющей втулкой. За счет ровного движения втулки цилиндрической формы удается существенно снизить трение. Втулки испытывают большие механические и температурные нагрузки. В качестве материала используются сплавы металлов, обладающие высокой устойчивостью к высоким температурам и стойкостью к износу. Из-за различных внешних нагрузок втулки в клапанах, работающих на впуск и выпуск, имеют некоторые отличия.
Специфические детали работы
Оба клапана должны выдерживать значительное повышение температуры. Основная нагрузка ложится на клапан выпуска. Через него выбрасываются в атмосферу отработанные вещества. Они могут нагревать детали клапана выпуска бензинового мотора до температуры 900 градусов. Температура клапана выпуска в дизельном моторе лежит в диапазоне 500-700 градусов. Детали клапана впуска разогреваются слабее, но материал должен выдерживать повышение температуры до 300 градусов.
Клапаны производятся из жаропрочных сплавов с добавлением легирующих добавок. Стержень клапана выпуска внутри имеет полость, которая заполнена натрием. Натрий расплавляется и поглощает часть тепла тарелки. В результате удается избежать перегрева детали. Чтобы на седле не образовывался нагар, используют схему с вращающимся клапаном. Седло имеет форму кольца и напрессовано на ГЦБ для обеспечения надежного контакта. Его изготавливают из стали повышенной прочности.
Из-за повышения температуры размер детали увеличивается, поэтому необходимо предусмотреть наличие щели между толкателем и кулачками распредвала. Величина зазора выставляется с помощью металлических шайб регламентированного размера или толкателей. При наличии гидрокомпенсаторов в моторе зазор выставляется автоматически.
При увеличенном зазоре становится невозможным полное открытие клапана. Неполное открытие препятствует правильному заполнению цилиндров новой топливовоздушной смесью. При уменьшенном зазоре возникают затруднения с полным закрыванием клапана. Такая ситуация приводит к прогару клапана и уменьшению сжатия в моторе.
Количество клапанов
Для функционирования четырехтактного мотора хватает пары клапанов в каждом цилиндре. Однако для снижения вредных выбросов, увеличения мощности, снижения расхода топлива в современных моторах используется больше клапанов. Увеличение их количества позволяет повысить эффективность наполнения цилиндров мотора новой топливной смесью.
В разные периоды времени использовались следующие решения:
- трехклапанное (с двумя клапанами впуска и одним выпускным);
- четырехклапанное (по паре клапанов на впускание и отвод);
- пятиклапанное (три входных клапана и два выпускных).
Заполнение цилиндров топливной смесью и их очищение от отработанных газов улучшаются с увеличением числа клапанов. Однако это приводит к усложнению устройства мотора. Сегодня распространены моторы, в которых на цилиндр приходится четыре клапана. Впервые такое решение было реализована в Peugeot Grand Prix, выпущенном в начале двадцатого века. Потом данная схема не использовалось в течение полувека. К четырем клапанам вернулись в 1970 году, когда наладили серийный выпуск таких автомобилей.
Конструкция привода
Функционирование системы клапанов обеспечивается приводом ГРМ и распредвалом. Он состоит из вала с кулачками. При поворачивании распредвала кулачки давят на толкатели, открывающие клапаны. Устройство распредвала определяется моделью двигателя. Также в различных моделях автомобиля используется разное число распредвалов.
Распредвал расположен в ГБЦ. Взаимодействие с коленчатым валом осуществляется с помощью цепной передачи. Существуют также варианты ременной и зубчатой передачами. Применение цепной передачи обеспечивает максимальную надежность, но при ее использовании в автомобиле необходимо использовать некоторые дополнительные конструкции. В частности, надо предусмотреть натяжитель цепи, а также деталь, компенсирующую вибрацию цепи. Согласование работы коленчатого вала с распредвалом достигается, если скорость вращения первого превышает скорость вращения второго вдвое.
Количество распредвалов связано с числом клапанов. Распространение получили следующие варианты:
- SOHC (с одним распредвалом);
- DOHC (используется два распредвала).
При паре клапанов в цилиндре можно обойтись одним распредвалом. При такой конструкции во время вращения распредвала клапаны впуска и выпуска работают поочередно. Четырехклапанные двигатели работают с двумя распредвалами. Один вал отвечает за фукционирование клапанов впуска, а второй осуществляет открывание клапанов выпуска. При V-образной системе размещения цилиндров в моторе число распредвалов равно четырем. На обеих сторонах установлено по два устройства.
Кулачки распредвала воздействуют на стержень посредством следующих элементов:
- коромысел (роликовых рычагов);
- гидравлических толкателей;
- стаканов (механических толкателей).
В большинстве моделей предпочтение отдается роликовым рычагам. При такой конструкции на оси располагаются коромысла. Именно они оказывают давление на гидротолкатель. Для снижения трения используется специальный ролик, контактирующий с кулачком. Существуют модели, в которых задействованы гидравлические толкатели. Они размещаются на стержне. Автоматическая регулировка размера зазора обеспечивается гидрокомпенсатором. Такой механизм работает мягко и издает меньше шума.
В состав гидрокомпенсатора входят:
- цилиндр, на котором размещены пружина и поршень;
- обратный клапан;
- масляный канал;
- гидротолкатель, работающий на масле для смазки двигателя.
Толкатели состоят из втулки, которая закрыта с одной стороны. Они располагаются на корпусе ГБЦ. С их помощью осуществляется воздействие на стержень клапана. Минусом такой конструкции является то, что приходится периодически регулировать зазоры. Также до разогревания мотора можно услышать характерный стук.
Стук в работающем двигателе
О неисправности клапана сигнализирует стук, который появляется при работе двигателя. Часто после разогрева стук в двигателе пропадает. Это происходит из-за закрытия теплового зазора. Стук может появиться из-за чрезмерной густоты масла. В такой ситуации смазка не доходит в достаточном количестве до гидрокомпенсаторов. Причиной недостаточного поступления масла может быть засорение масляных каналов, которое также может привести к возникновению посторонних звуков.
Иногда стук возникает и в разогретом моторе. Кроме засорения фильтра или недостаточного поступления смазки проблема может быть связана с несоответствующей нормам величиной зазора. Нужно принимать во внимание возможный износ узлов, составляющих клапанный механизм.
Выставление зазора
Регулировка зазора осуществляется исключительно при остывшем моторе. Ширина зазора измеряется специально предназначенными для этого щупами. Они изготовлены из металла и имеют различную толщину. Специальный винт, расположенный на коромыслах, позволяет изменять величину зазора. В системах с механическими толкателями регулировка зазора осуществляется с помощью подбора деталей по толщине.
Ниже по шагам расписан процесс регулировки зазора для моторов со стаканами:
- Снять с мотора крышку, закрывающую клапаны.
- Расположить коленчатый вал в таком положении, чтобы в ВМТ находился поршень первого цилиндра. Эта операция осуществляется по меткам. Также можно через свечное отверстие вставить отвертку. Мертвая точка соответствует самому высокому состоянию отвертки.
- Щупами провести замер тепловых щелей в клапанах, где колпачки не давят на толкатели. Надо зафиксировать на бумаге размеры зазоров.
- Прокрутить коленчатый вал на 360 градусов, чтобы в ВМТ находился поршень четвертого цилиндра. Провести измерение и зафиксировать на бумаге размеры остальных зазоров.
- Сверить соответствие зазоров с допустимыми значениями. Если толщина какого-то зазора выходит за пределы допустимого, то надо заменить толкатели. Для этого снимаются распредвалы и подбираются толкатели требуемого размера. Правильные значения можно посмотреть в книгах по ремонту машин.
Контроль зазоров следует осуществлять после 50 000 -80 000 километров. При правильной настройке ГРМ двигатель будет работать плавно. Это позволит увеличить ресурс мотора и создать комфортные условия для водителя.