Клапани

Предмети:

Загальний
Матеріал
Натрієві клапани
Напрямні клапанів
Різні типи управління клапанами
Клапанний механізм з непрямим керуванням клапаном
Клапанний механізм з прямим керуванням клапаном
Відрегулюйте клапанний зазор
Багатоклапанна технологія
Змінні фази газорозподілу та підйом клапана

Загальне:
У кожному двигуні внутрішнього згоряння є клапани. Завжди є принаймні один впускний і один випускний клапани. Ці клапани приводяться в рух одним або декількома розподільними валами через розподіл і забезпечують надходження свіжого повітря в простір згоряння, яке потім затримується під час стиснення і може покинути простір згоряння. Потік впускних і випускних газів повинен відбуватися з якомога меншим опором.
Для цього матеріали формуються максимально добре.
Клапани встановлені в головці блоку циліндрів. Впускний клапан часто більший за випускний, оскільки в циліндр має надходити якомога більше суміші. Випускний клапан повинен бути меншим, оскільки згорілі вихлопні гази залишають циліндр після такту випуску, коли поршень виштовхує гази з циліндра.

Як приклад візьмемо чотиритактний процес бензинового двигуна. Під час такту впуску двигуна впускний клапан відкривається, і в бензиновому двигуні з непрямим уприскуванням всмоктується повітряно-паливна суміш, а в бензиновому двигуні з прямим уприскуванням всмоктується тільки свіже повітря. . Повітря всмоктується, тому що поршень рухається вниз. Повітря, яке надходить, займає вільний простір. Коли поршень знову рухається вгору, впускний клапан закриється. Суміш палива і повітря тепер нікуди діватися і стискається. Це називається тактом стиснення. Тому важливо, щоб клапани закривалися належним чином. Суміш запалюється, коли свічка запалювання створює іскру. Тому поршень штовхається вниз із значною силою. Це називається силовим ударом.
Під час такту випуску відкривається випускний клапан і поршень рухається вгору. Згорілі гази тепер залишають циліндр і йдуть у вихлоп. Коли поршень знаходиться вгорі, випускний клапан закривається, а впускний відкривається. Поршень знову рухається вниз і слідує такт впуску. Насправді впускний клапан відкривається трохи раніше, так що впускний і випускний клапани на короткий час відкриті одночасно. Це називається «перекриттям клапанів». Швидкість згорілих газів, які залишають циліндр через випускний клапан, створює негативний тиск, що спричиняє додаткове притягання всмоктуваного повітря. Таким чином у циліндр може надходити більше повітря, ніж якби відкрився лише впускний клапан і поршень рухався вниз. Таким чином покращується рівень наповнення.

Для більш детального пояснення чотиритактного процесу див.Робота бензинового двигуна».

Матеріали:
Клапани сильно навантажені. Особливо випускні клапани, тому що вони сильно нагріваються і не можуть добре охолоджуватися. Впускні клапани частково охолоджуються холодним всмоктуваним повітрям, яке надходить у циліндр. Згорілі вихлопні гази протікають повз випускні клапани при температурі до 900 градусів Цельсія. Тому випускні клапани також виготовляються з іншого матеріалу, ніж впускні. Впускні клапани найчастіше виготовляють з хромонікелевої сталі. Випускні клапани найчастіше виготовляють із хромокремнієвої сталі. Для обмеження зносу через умови високої температури зовнішні краї диска клапана (ущільнювальна поверхня) і штоки клапанів броньовані шаром твердосплавного сплаву (стеліту). Клапани розсіюють більшу частину тепла через диск клапана та шток клапана. Клапани, наповнені натрієм, мають ще кращу тепловіддачу.

Натрієві клапани:
Випускні клапани порожнисті всередині. Порожнина приблизно на 60% заповнена натрієм. Натрій — це метал, який стає рідким при високій температурі (приблизно від 100 градусів Цельсія). Коли двигун працює, клапан часто піднімається і опускається. Натрій у клапані постійно перекидається вперед-назад і таким чином переносить тепло. Натрій поглинає тепло від диска клапана та віддає його штоку клапана. За допомогою клапанів, наповнених натрієм, ви можете досягти падіння температури на 80-100 градусів порівняно з клапанами без наповнення.
Впускні клапани цього не потребують, тому що вони вже охолоджуються повітрям, що поступає.

На малюнку сіра поверхня позначає матеріал, а червона частина — порожнину, заповнену натрієм.

Напрямні клапана:
Клапани рухаються вгору і вниз в головці блоку циліндрів. Між клапаном і головкою блоку циліндрів повинно бути добре ущільнення, щоб масло не могло витікати з головки блоку циліндрів уздовж штока клапана до впускного або випускного каналу. Між клапаном і напрямною клапана завжди є невелика масляна плівка для змащування. Направляюча клапана показана на малюнку помаранчевим кольором.

Якщо з вихлопної труби виходить синій дим, це може бути результатом несправності направляючих клапанів. Можливо, напрямні клапанів стали ширшими (див. зображення нижче), так що клапан навіть має люфт у головці блоку циліндрів. У цій ситуації масло може витекти через клапан у впускний або випускний канал. У верхній частині направляючої клапана існує тиск зовнішнього повітря, а іноді навіть надлишковий тиск через вищий тиск у картері. У нижній частині направляючої клапана гази надходять до випускного колектора, що забезпечує ефект розрідження. Це збільшує витік, оскільки масло як би всмоктується вздовж штока клапана. Коли масло потрапляє у випускний колектор, воно не спалюється. Масло нагрівається, в результаті чого воно частково випаровується. Це може призвести до появи синього диму з вихлопу.

Напрямні клапанів часто можна замінити окремо. Для цього необхідно розібрати головку блоку циліндрів і зняти з неї клапан. Потім можна замінити напрямні клапана. Направляючі клапанів не можна замінити окремо на всіх головках циліндрів. Компанії, що займаються відновленням, часто мають для цього рішення. Запитайте про варіанти заміни направляючих клапанів у відомій ремонтній компанії.

Різні типи управління клапанами:
Клапанами можна керувати різними способами. На зображенні нижче показано п’ять різних версій. Ці різні версії та методи налаштування обговорюються далі на цій сторінці.

A: Непряме керування клапаном за допомогою коромисел.
B: Пряме керування клапаном за допомогою роликових кулачків.
C: Пряме керування клапаном за допомогою гідравлічних регуляторів клапанів.
D: Пряме керування клапанами за допомогою коромисел і кількох клапанів на циліндр.
E: Пряме керування клапанами за допомогою гідравлічних підйомників клапанів і кількох клапанів на циліндр.

Для двигунів без гідравлічних штовхачів клапанів (A, B і D) необхідно періодично перевіряти клапанний зазор. Детальніше про це в розділі «Регулювання клапанного зазору» на цій сторінці. На двигунах з гідравлічними підйомниками клапанів регулювання клапанного зазору не є необхідним і неможливим; гідравлічні циліндри заповнені маслом, яке усуває зайвий люфт.

Клапанний механізм з непрямим управлінням клапаном:
У минулому двигуни оснащувалися підкладкою розподільний вал. В даний час двигуни легкових автомобілів оснащені тільки верхнім розподільним валом. Конструкція з розташованим нижче розподільним валом зникає. Недоліком такої конструкції є те, що ці двигуни не можуть працювати на високих швидкостях, оскільки між розподільним валом і клапаном є велика маса. На високих швидкостях буде надто великий люфт, і клапан більше не відкриватиметься та закриватиметься в правильний час.
Колінчастий вал приводиться в рух за допомогою невеликий ланцюг ГРМ або ремінь до нижнього розподільного вала (див. зображення нижче). Розподільний вал штовхає штовхач клапана та штовхач прямо вгору. Права сторона коромисла висувається вгору. Коромисло «перекидається» навколо осі коромисла, штовхаючи ліву сторону вниз. Це змушує клапан опускатися вниз проти сили пружини клапана. Коли розподільний вал повертається далі, пружина клапана притискає клапан, і коромисло повертається у вихідне положення.

Клапанний механізм з прямим керуванням клапаном:
Верхній розподільний вал зараз використовується тільки в легкових автомобілях. Потім розподільний вал поміщається в головку блоку циліндрів. Перевага двигунів із верхнім розподільним валом полягає в тому, що вони можуть витримувати більш високі швидкості, ніж двигуни з розташованим нижче розподільним валом.

На зображенні вгорі ліворуч ви бачите, що клапан закрито, оскільки пружина клапана тисне на клапан, а розподільний вал обертається за годинниковою стрілкою. На правому зображенні розподільний вал скручений, змушуючи кулачок штовхати клапан вниз. Тепер пружина стиснута, штовхаючи клапан вниз. Коли розподільний вал повертається далі, пружина клапана знову штовхне клапан вгору. Пружина клапана чинить протитиск приблизно 20 кг.

На зображенні показано схематичне зображення клапана з клапанною пружиною. Тут чітко видно, якою частиною клапан спирається на поверхню закриття клапана сідла клапана. У верхній частині розташоване сідло пружини (частина, де кулачок розподільного вала штовхає клапан вниз) зі шпонкою клапана та пружиною клапана під ним. Клапанна шпонка служить кріпленням для клапана. Щоб зняти клапан з головки блоку циліндрів, необхідно зняти шпонки клапанів. Під час розбирання сідло пружини необхідно натиснути вниз проти зусилля пружини клапана (для цього є спеціальні інструменти). Тоді клапан зможе вільно рухатися. Витягнувши дві клавіші клапана з магнітом між сідлом пружини та штоком клапана, клапан можна зняти з головки циліндра знизу.
Під час монтажу необхідно переконатися, що правильний клапан встановлений у правильному місці. Вони не підлягають обміну. Коли буде встановлений новий клапан, його доведеться відшліфувати спеціальною шліфувальною пастою. Після шліфування клапан добре ущільниться. Потім новий клапан можна протягнути через напрямну штока клапана, а шпонки клапана повернути на місце. Потім пружину клапана можна знову розслабити.

Відрегулюйте клапанний зазор:
Між розподільним валом і коромислом або верхньою частиною клапана завжди повинен бути певний люфт. Такий зазор дає можливість матеріалу розширюватися. Гра не повинна бути надто великою; тоді клапан відкривається менш далеко і на коротший час. Якщо зазор занадто великий, розподільному валу знадобиться більше часу, щоб відкрити клапан, і клапан закриється раніше. Відстань також не повинна бути занадто маленькою; тоді клапан відкривається раніше і закривається пізніше. Після цього щоразу клапан залишається відкритим занадто довго. Таким чином, час, протягом якого клапан закритий, є меншим; існує ймовірність того, що клапан не може відводити тепло до сідла клапана головки блоку циліндрів і тому перегрівається. Після цього клапан може згоріти.

В даний час практично всі легкові автомобілі оснащені гідропідйомниками клапанів. Однак все ще є виробники, які розробляють двигуни, які вимагають регулювання клапанного зазору. В автомобілях 90-х років використання гідравлічних штовхачів клапанів зовсім не було само собою зрозумілим. Тому все ще їздить багато транспортних засобів, у яких потрібно періодично перевіряти зазор клапанів і, якщо необхідно, регулювати їх. У заводських даних часто вказується пробіг, при якому це потрібно робити (часто кожне велике технічне обслуговування). Є дві різні конструкції для регулювання клапанного зазору; за допомогою прокладок і регулюючих ексцентричних болтів. Обидва вони описані нижче.
Коли клапани регулюються, ви не повинні просто починати з будь-якої точки. Необхідно звернути особливу увагу на момент, коли клапани встановлені на «перекидання». Перекидання означає, що розподільний вал щойно закрив випускні клапани і збирається відкрити впускні. Коли циліндр 1 перевертається, це означає, що він знаходиться на початку такту впуску. Тоді поршень циліндра 1 знаходиться вгорі. Циліндри 1 і 4 завжди знаходяться на одній висоті з точки зору висоти (так само, як 2 і 3 знаходяться на одній висоті, див. зображення нижче). Оскільки порядок запалювання 1-3-4-2 (запам'ятайте робочу схему), це означає, що циліндр 4 знаходиться на початку силового такту. Після циліндра 4 настає черга циліндра 2, а потім циліндра 3.

На зображенні нижче показано поршень циліндра 1 в БПД. Вушка спрямовані донизу; впускні клапани щойно закрилися, а випускні ось-ось відкриються. У цей момент клапани циліндра 4 можуть бути відрегульовані; кулачки там спрямовані вгору.

Клапанний зазор вимірюється за допомогою так званого “щуп“. Толщиномір містить металеві смужки різного розміру, кожна з яких має товщину на 0,05 мм. Просунувши кілька смужок між розподільним валом і клапаном, ви можете перевірити наявність люфта. Смужку, про яку йдеться, не можна проштовхувати занадто легко; тоді зазор клапана перевищує значення смуги. Якщо смужка не підходить або дуже важка та застряє, це означає, що смужка занадто товста. Коли смужка пересувається між ними, може відчуватися опір.

Регулювання клапанного зазору за допомогою прокладок:
Товщина прокладки, яку також називають «прокладкою», визначає зазор клапана в цьому випадку. На зображенні нижче прокладка позначена червоним кольором. Замінивши прокладку на більш товсту, клапанний зазор зменшиться. Тоді між розподільним валом і прокладкою буде менше місця. Під зображенням пояснюється, як регулювати клапанний зазор. Щоб відрегулювати клапани, кулачок відповідного клапана повинен бути спрямований вгору, як показано на малюнку нижче. Коли кулачок скручується, виміри знімаються неправильно. При регулюванні клапанів чотирициліндрового двигуна необхідно виконати наступні дії:

Переключити циліндр 1 = Відрегулювати клапани циліндра 4.
Переключити циліндр 2 = Відрегулювати клапани циліндра 3.
Переключити циліндр 3 = Відрегулювати клапани циліндра 2.
Переключити циліндр 4 = Відрегулювати клапани циліндра 1.

Наприклад, заводське значення вказаного вище зазору клапана може становити 0,35 мм. Тому між прокладкою та розподільним валом має бути простір у 0,35 мм, коли кулачок спрямований угору. Відстань між двома частинами можна виміряти щупом. Якщо смужка 0,35 мм проходить дуже легко, не відчуваючи жодного опору, це означає, що відстань між клапаном і розподільним валом перевищує 0,35 мм. У цьому випадку зазор клапана занадто великий. Якщо смужка 0,45 мм навряд чи поміщається між ними, тому що для її проштовхування потрібно докласти велику силу, ця смужка занадто товста. Фактичний люфт становить від 0,35 до 0,45 мм. Щоб бути в безпеці, смужку 0,40 мм можна просунути між ними. Якщо він запускається, але його можна рухати вперед-назад (може відчуватися опір), то можете бути впевнені; клапанний зазор становить 0,40 мм замість встановлених 0,35 мм.

Оскільки зазор клапана занадто великий, необхідно встановити більш товсту прокладку. Розміри часто вказуються на прокладках. У такому випадку прочитайте значення надто тонкої прокладки. Тобто, наприклад, 2,75 мм.
Клапанний зазор занадто великий; прокладка має бути на 0,05 мм товщі встановленої, а саме 2,75 мм. Коли встановлено прокладку (2,75 + 0,05) = 2,80 мм, клапанний зазор правильний. У цьому випадку встановіть прокладку 2,80 мм, поверніть колінчастий вал на два оберти, щоб правильні клапани знову почали хитатися, і знову перевірте клапанний зазор.

Часто існують спеціальні інструменти для розбирання, щоб легко замінити прокладки. Приклад цього можна побачити на зображенні.

Регулювання клапанного зазору за допомогою регульованих ексцентриків:
Часто використовуваною системою є регульований ексцентрик. Регулювальний гвинт можна повернути лише після того, як контргайка була послаблена на чверть оберту. Після того, як повернути регулювальний гвинт, простір між штоком клапана та коромислом негайно збільшиться або зменшиться. Після затягування контргайки регулювальний гвинт знову зафіксується.

Тут також, звичайно, клапани правильного циліндра повинні бути спочатку налаштовані на перемикання! Намацуючи щуп правильної товщини (тобто такого ж значення, як і заводське значення) між штоком клапана та коромислом, можна визначити, чи є зазор клапана занадто великим, занадто малим чи правильним. Повертаючи регулювальний гвинт і постійно переміщаючи щуп між ним, можна знайти правильне положення регулювального гвинта там, де правильний зазор клапана. Потім затягніть контргайку, а потім переконайтеся, що зазор залишився незмінним. Існує велика ймовірність того, що регулювальний гвинт буде злегка повернутий під час затягування контргайки, якщо не використовувати спеціальний інструмент, указаний виробником.

Багатоклапанна технологія:
Кожен чотиритактний двигун має принаймні 1 впускний і 1 випускний клапани. Більш потужні та економічні двигуни часто мають 2 впускних і 2 випускних клапана. Деякі типи мають 2 впускних клапана та 1 випускний клапан або 3 впускних клапана та 1 випускний клапан.
Використання кількох клапанів має дві основні переваги, а саме:

Клапани матимуть дещо менший діаметр, що призводить до меншої маси (меншої ваги) на клапан. Найбільшою перевагою цього є те, що клапани не плавають на високих обертах двигуна. Плаваючі клапани означають, що коли двигун працює на високій швидкості (наприклад, 5000 об/хв), клапани відкриваються та закриваються настільки швидко, що пружини клапана більше не встигають натиснути на клапан у закритому стані. Тому клапан не закривається повністю на сідлі клапана. Це може призвести до удару поршня об клапан або перегріву клапана, оскільки він більше не може передавати тепло до сідла клапана. Кілька клапанів полегшують їх і дають пружинам клапанів достатньо часу, щоб закрити клапан.
Менша маса на клапан дозволяє клапанам закриватися швидше. Це дає можливість застосовувати змінні фази газорозподілу, за допомогою яких положення розподільного вала змінюється при певних обертах двигуна або навантаженні.

Змінні фази газорозподілу та підйом клапана:
Сучасні двигуни часто використовують змінні фази газорозподілу. Деякі виробники двигунів також використовують змінний підйом клапана (включаючи BMW). Ці розділи описані окремо на сторінках: