Клапанный механизм двигателя: устройство, работа и регулировка

Зазоры между клапанами двигателя.

Отличие теплового зазора впускного и выпускного клапана двигателя объясняется различной температурной загруженностью и тем, что клапаны изготовлены из металлов, имеющих различные свойства.

При правильно установленных зазорах, после прогревания размеры клапанов уменьшаются до минимума, в результате этого достигается своевременное регулирование фаз газораспределения и длительный срок эксплуатации деталей. Если обратить внимание на работу непрогретого двигателя, то слышен повышенный шум. Поэтому для предотвращения ударных нагрузок на торец клапана, важно не допускать прогревание двигателя на больших оборотах.

Расположение клапанов.

В процессе работы постепенно происходит расклёпыва

В процессе работы постепенно происходит расклёпывание клапанов и седла, углубление посадки клапана в седле, в результате чего тепловой зазор уменьшается. Более детальную информацию о седле клапана можно найти в статье, размещённой на сайте.

Уменьшение зазора происходит в результате изнашивания кулачков распределительного вала, коромысла, плоскости толкателей и торцов клапана двигателя. По причине нарушения фаз газораспределения уменьшается мощность двигателя. Возрастает износ большого количества сопутствующих деталей. В итоге начинается цепная реакция, целые детали выходят из строя, как результат, изнашивание связанных с ними других деталей.

В случае отклонения теплового зазора в сторону уве

В случае отклонения теплового зазора в сторону увеличения, происходит постоянная ударная нагрузка на клапаны двигателя, что снижает их срок службы. Торец скалывается, это приводит к постепенному увеличению зазора, повышается шумность. Наполняемость цилиндров топливовоздушной смесью и эффективность сгорания снижается, из-за этого происходит нарушение фаз газораспределения, в результате уменьшается мощность.

При меньшем тепловом зазоре, нарушается герметичность камеры сгорания, так как клапаны не закрывают её должным образом. Это приводит к уменьшению компрессии, в момент такта сжатия, некоторый объём поступившей топливовоздушной смеси выбрасывается сквозь щели между клапаном и седлом. На рабочем ходу раскалённые отработанные газы также выбрасываются и приводят к тому, что клапаны прогорают. Из-за того, что тарелки клапанов не соприкасаются с сёдлами, происходит нарушение процесса теплоотдачи, в результате клапан двигателя нагревается до температур, при которых возрастает износ (окисление, коррозия), вероятность заклинивания в направляющей втулке или доведение её до более скорого износа, обрыв тарелки, увеличение нагрузки на ремень ГРМ.

  • Впускные клапаны в основном охлаждаются свежей поступающей топливовоздушной смесью и обладают лучшим уровнем охлаждения.
  • Выпускные основную составляющую тепла переносят на седло клапана. Если тепловой зазор отсутствует (происходит зависание или зажатие), высокая температура приводит к разрушению клапана и направляющей втулки.

Устройство клапанного механизма

Для работы обычного двигателя необходимо минимум два клапана на каждый цилиндр. Один впускной и один выпускной. Сам клапан состоит из стержня и тарелки (головка). Место соприкосновения тарелки с ГБЦ называю седлом. Впускные клапаны имеют больший диаметр тарелки, чем выпускные. Это обеспечивает лучшее наполнение камеры сгорания топливовоздушной смесью.


Устройство клапанного механизма

Весь клапанный механизм состоит из следующих основных элементов:

  • впускной и выпускной клапаны;
  • направляющие втулки (обеспечивают точное направление движения клапанов);
  • пружина (возвращает клапан в исходное положение);
  • седло клапана (место соприкосновения тарелки с корпусом);
  • сухари (два сухаря обеспечивают опорную поверхность для пружины и фиксируют всю конструкцию);
  • маслосъемные колпачки или маслоотражательные кольца (не дает маслу попасть в цилиндр);
  • толкатель (передает нажимное усилие от кулачка распредвала).

Кулачки на распределительном вале нажимают на клапаны. Их возврат в исходное положение обеспечивается за счет пружины. Пружина крепится на стержне с помощью сухарей и тарелки пружины. Для гашения резонансных колебаний на стержне могут устанавливаться не одна, а две пружины с разносторонней навивкой.

Направляющие втулки клапанов

Направляющая втулка представляет собой деталь цилиндрической формы. Она снижает трение и обеспечивает ровный и правильный ход стержня. В работе эти детали также подвергаются нагрузкам и воздействию температуры. Поэтому для ее изготовления применяются износостойкие и жаростойкие сплавы. Втулки выпускного и впускного клапанов несколько отличаются друг от друга в связи с разницей в нагрузках.

СТУКИ ДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕДНЕПРИВОДНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ ВАЗ

У переднеприводных автомобилей ВАЗ двигатели могут иметь различные цифровые индексы, так как устанавливаются моторы на разные модели автомобилей. Но в основном все силовые агрегаты имеют одну и ту же принципиальную схему, а отличаться могут:

  • 8-клапанной или 16-клапанной головкой блока цилиндров;
  • Диаметром поршней;
  • Карбюраторной или инжекторной топливной системой;
  • Незначительными конструктивными особенностями (разными датчиками, конфигурацией коллекторов и проч.).

В частности, на автомобиле ВАЗ 2114 установлен 8 клапанный 4-х цилиндровый двигатель объемом 1,5 литра модели ВАЗ 2111, с системой подачи топлива – типа «инжектор» (распределенный впрыск). Точно таким же двигателем внутреннего сгорания (ДВС) комплектуется ВАЗ 2115 и ВАЗ 2113.

В ДВС могут возникать разные стуки, и не обязательно это стучат клапана. Стуки могут происходить:

  • В поршневой группе,
  • В кривошипно-шатунном механизме;
  • В системе газораспределения;
  • В навесном оборудовании (в водяном насосе, генераторе и т. д.).

Почему стучит двигатель, что может быть причиной стука:

  • недостаточное количество масла в картере масляной системы;
  • износ деталей вследствие длительной эксплуатации;
  • заводские дефекты;
  • перегрев двигателя;
  • эксплуатация мотора на постоянных максимальных нагрузках.

Стук в двигателе ВАЗ 2114 имеет разный характер, определить причину порой непросто даже мастерам, имеющим некоторый опыт в ремонте. Но есть характерные звуки, которые определяются довольно легко:

  • резкий «сухой» металлический звук, хорошо слышный при резком нажатии на педаль газа. Так стучат шатунные шейки (вкладыши) коленчатого вала. Это серьезный стук, как минимум, здесь требуется шлифовка коленчатого вала;
  • звук среднего тона, при увеличении оборотов создается впечатление, что внутри ДВС что-то перекатывается. Обычно так стучать поршни;
  • одиночный щелкающий звук. С увеличение числа оборотов он как бы сливается, и похож на звук работающей швейной машинки. Так обычно стучат детали газораспределительного механизма (распределительный вал, толкатель).

Как стучат клапана, как его определить? Стук клапанов обычно довольно резкий, щелкающий, высокого тона. Стучать может он не один, а сразу несколько. Чтобы понять причину возникновения различных шумов в газораспределительном механизме (ГРМ), необходимо хотя бы немного иметь представление об его устройстве. ГРМ ВАЗ 2114 состоит из следующих элементов:

  1. распределительный вал.
  2. распределительная шестерня.
  3. Ремень ГРМ.
  4. Толкатели.
  5. Регулировочные шайбы.
  6. Впускные и выпускные клапаны.

Принципиально схема работает следующим образом:

  1. От вращающегося коленчатого вала через ремень ГРМ движение передается на шестерню распределительного вала;
  2. Шестерня жестко закреплена на распределительном валу (фиксируется шпонкой и крепится болтом) поэтому вал также приводится в движение;
  3. Кулачки распределительного вала нажимают на регулировочную шайбу, находящуюся в наружной части днища толкателя.
  4. Толкатель нажимает клапан, клапан при движении коленчатого вала открывается и закрывается, происходит заполнение рабочей смесью в цилиндрах ДВС, совершается рабочий цикл.

Причиной стука может быть любое звено в газораспределительном механизме. Но есть наиболее часто встречающиеся причины:

  • Большой зазор между кулачком распределительного вала и толкателем;
  • Износ опор распределительного вала;
  • Износ посадочного места в головке блока цилиндров (ГБЦ) под распределительный вал;
  • Сработанная неровная поверхность регулировочной шайбы;
  • Разбивание посадочного места под толкатель в ГБЦ.

Виды и конструкции видео обзор

Все зависит от того, каким образом организован запорный механизм, и как перекрывается проходное отверстие. В соответствии с этими критериями различают три основных вида обратных клапанов, каждый из которых подходит для определенных случаев, и имеет свои преимущества и недостатки.

Пружинные клапана

Обратный клапан для водопровода с металлическим седлом

Клапан из латуни со сферической камерой

Комбинированный обратный клапан

Сборный корпус состоит из двух фрагментов цилиндрической формы, соединенных резьбой. Материалом для запорного механизма служит металл или пластик. Герметичность обеспечивают резиновые прокладки и специальная сантехническая лента, намотанная на резьбу. Канал перекрывается, когда пружина напряжена. Расслабляет ее напор под давлением.

Плюс такого клапана обратного давления воды – возможность разобрать и заменить изношенный затвор.

Поворотный лепестковый

Такое название механизм получил благодаря соответствующей форме запорного элемента. Ось вращения «тарелки» находится над проходным отверстием. Сопротивление потоку обеспечивает пружинный механизм, который, срабатывая, открывает камеру, а при расслаблении перекрывает воду.

Обратный поток – давит на лепесток, перекрывающий канал. Минус такого клапана для трубопровода – скорый износ лепесткового механизма при большом внутреннем диаметре корпуса.

Шаровая модель

Данный класс устройств в корне отличается от изделий подъемного типа. Запорный механизм представляет собой шар, который под собственным весом опускается при недостаточном давлении воды, и перекрывает циркуляционный канал. Корпус оснащен съемной крышкой для удобства при обслуживании.

Отсутствие механических узлов указывает на продолжительный срок службы. Возможна замена шара на более тяжелый для изменения рабочих параметров.

Общее устройство клапанного ГРМ

Все основные узлы ГРМ уже обозначили, соберем эту информацию вместе. Итак, ключевые компоненты газораспределительного механизма, начиная от коленвала:

  • привод, обеспечивающий механическую связь между коленвалом и сопряженным распредвалом (порой их несколько);
  • распредвал (порой ряд валов, в полной зависимости от компоновки ДВС и общего количество клапанов);
  • клапанная группа (состоит из клапанов (одного или нескольких впускных, а еще выпускных), зачастую специальных устройств, обеспечивающих взаимодействие непосредственно с распредвалом, прямая связь между распредвалом и группой впускных, выпускных клапанов почти не применяется, только через промежуточные механизмы);
  • корпус (это та часть двигателя, где располагаются распредвал (несколько валов), а также еще клапанная группа ГРМ, компоненты иных систем, например, смазки).

Помимо этого современные двигатели, их ГРМ, как правило, оборудуются дополнительными узлами. То есть они на одних силовых агрегатах присутствуют, на других нет, не являются обязательными. Таких компонентов много, назовем те, которые встречаются практически всегда или очень часто. Это, прежде всего, датчики положения распределительного вала (ДПРВ, они же датчики Холла, определяют угловое положение механизма газораспределения, ставятся в том случае если двигатель оборудован ЭБУ, электронным блоком управления, из современных моторов таких 99,9 %). Помимо этого могут устанавливаться компоненты разных систем. Например, есть системы, обеспечивающие изменение фаз газораспределения, другие отключают цилиндры. Выделим и устройства, которые регулируют тепловые зазоры клапанов, сейчас это гидрокомпенсаторы (иногда гидроопоры), ранее использовались и другие.

Следует понимать что это основные варианты, охватить все в рамках одной статьи практически невозможно, конструкционные решения используются различные, даже в рамках одной схемы. То есть лучше рассматривать каждый отдельно взятый двигатель обособленно. Расскажем обо всех компонентах в общем.

Втулки клапанов и их направляющие

Отвод тепла от стержня клапана и его перемещение в возвратно поступательной плоскости обеспечивают направляющие втулки. В процессе работы сами втулки подвергаются воздействию высоких температур, омываясь горячими отработанными газами. При возвратно поступательном движении клапана между ним и поверхностью втулки возникает трение. Если смазки поступает не достаточно, то трение идёт практически на сухую.

Именно по этой причине к материалу втулок применяют ряд требований, таких, как: стойкость к износу, высоким температурам, трению. Некоторые составы чугуна, алюминиевая бронза, керамика обладают всеми свойствами, необходимыми для создания детали, удовлетворяющей таким требованиям.

Для впускных клапанов, в связи с разницей в температуре нагрева, зазоры между направляющей втулкой и стержнем делаются меньше. Нижнюю часть втулки делают под конус для предотвращения заклинивания клапана.

Количество клапанов в двигателе

Когда речь заходит о клапанах, многие задаются вопросом: «сколько клапанов в двигателе должно быть?» Однозначного ответа нет, определить чёткое количество можно только изучив конструктивные особенности мотора. Учитывая, что в четырёхтактной силовой установке клапан осуществляет такты впуска и выпуска, значит минимальное количество на один цилиндр — два, один впускной и один выпускной.

Современные силовые установки наиболее часто используют конструкцию с четырьмя клапанами (двух впускных и двух выпускных) на каждый цилиндр. При открытии клапана в образовавшееся отверстие происходит заброс топливной смеси, или выход отработанных газов. Чем больше отверстие, тем эффективней будет наполнение или очистка. Соответственно коэффициент полезного действия мотора так же увеличится.

Увеличить отверстие за счёт увеличения тарелки клапана нельзя, поскольку её размер ограничен размером камеры сгорания. Поэтому для улучшения качества смесеобразования устанавливают большее количество клапанов на один цилиндр.

Встречаются схемы, в которых применяются два, три, и даже пять клапанов на цилиндр. Учитывая, что процесс наполнения более важен для работы двигателя, количество впускных клапанов в нечётных схемах всегда больше.

Назначение и особенности впускных и выпускных клапанов

Во вступлении мы указали, каково назначение клапанов отдельных типов, однако в данном разделе этот момент будет разобран в подробностях. Начнем с выпускного клапана. Для лучшего понимания всего, что будет описано дальше, рекомендуем автолюбителям ознакомиться с понятием . Выпускные клапаны ответственно за удаление уже отработавших газов из камер сгорания мотора. Выпуск происходит в тот момент, когда поршень направляется от т.н. нижней мертвой точки к верхней мертвой точки. Так как температура газов и перепады давлений особенно велики, выпускные клапаны должны иметь больший запас прочности, нежели впускные. Производители защищают изделия при помощи:

  • Плазменно-порошковой наплавки;
  • Лазерного легирования;
  • Наплавки при помощи токов высокой частоты.

Выточки под клапана (седла)

Долговечность и правильная работа двигателя внутреннего сгорания напрямую зависят от качества изготовления выточки под клапана. При неправильной стыковке клапана и седла не будет обеспечиваться должная герметичность камеры сгорания, и скорый выход мотора из строя неизбежен. Седла изготавливают непосредственно в головке цилиндра, в данном случае речь идёт о чугунных головках. Либо делают их вставными, из стали, например, в алюминиевых головках.

Вставные седла удерживаются в головке путём запрессовки, или развальцовки.

Устройство газораспределительного механизма

В современных моторах газораспределительный механизм располагается в двигателя. В его состав входят следующие основные элементы:

  1. Распределительный вал. Это сложная по конструкции деталь, которая изготавливается из прочной стали или чугуна с высокой точностью обработки. В зависимости от конструкции ГРМ распредвал может устанавливаться в головке блока цилиндров или в картере двигателя (такая компоновка сейчас не применяется). Это основная деталь, которая отвечает за последовательное открытие и закрытие клапанов.

    На валу имеются опорные шейки и кулачки, которые и толкают стержень клапана или коромысло. Форма кулачка имеет строго определенную геометрию, поскольку от этого зависит длительность и степень открытия клапана. Также кулачки выполнены разнонаправленными, чтобы обеспечивать попеременную работу цилиндров.

  2. Привод. Крутящий момент от коленчатого вала передается через привод на распределительный вал. Привод бывает разным в зависимости от конструктивного решения. Шестерня коленвала в два раза меньше шестерни распредвала. Таким образом, коленчатый вал вращается в два раза быстрее. В зависимости от типа привода в его состав входят:

    • цепь или ремень;
    • шестерни валов;
    • натяжитель (натяжной ролик);
    • успокоитель и башмак.
  3. Впускные и выпускные клапаны. Они расположены в головке блока цилиндров и представляют собой стержни с плоской головкой на одном конце, которая называется тарелкой. Впускные и выпускные клапаны отличаются по конструкции. Впускной изготавливается цельной деталью. Также он имеет больший диаметр тарелки для обеспечения лучшего наполнения цилиндра свежим зарядом. Выпускной часто изготавливают из жаропрочной стали и с полым стержнем для лучшего охлаждения, так как в работе он подвергается более высоким температурам. Внутри полости находится натриевый наполнитель, который легко плавится и отводит часть тепла от тарелки к стержню.

    На тарелках клапанов сделаны специальные фаски, которые обеспечивают более плотное прилегание к отверстиям в головке блока цилиндров. Это место называется седлом. Кроме самих клапанов, в механизме предусмотрены дополнительные элементы, обеспечивающие его правильную работу:

    • Пружины. Возвращают клапаны в исходное положение после нажатия.
    • Маслосъемные колпачки. Представляют собой специальные уплотнители, которые не допускают попадания масла в камеру сгорания по стержню клапана.
    • Направляющая втулка. Устанавливается в корпус ГБЦ и обеспечивает точное движение клапана.
    • Сухари. С их помощью пружина крепится на стержне клапана.
  4. Толкатели. Через толкатели передается усилие от кулачка распредвала на стержень. Изготавливаются из высокопрочной стали. Они бывают разных видов (механические (стаканы), роликовые, гидрокомпенсаторы). Тепловой зазор между механическими толкателями и кулачками распредвала регулируется вручную. Гидрокомпенсаторы или гидротолкатели автоматически поддерживают нужный тепловой зазор и не требуют регулировки.
  5. Коромысло или рычаги. Простое коромысло представляет собой двуплечный рычаг, который совершает качательные движения. В различной компоновке коромысла могут работать по-разному.
  6. Системы изменения фаз газораспределения. Данные системы устанавливаются не на все двигатели. Более подробно про устройство и принцип работы можно прочитать в отдельной статье на нашем сайте.

Назначение и особенности устройства

Клапан – подпружиненный элемент. В спокойном состоянии он плотно закрывает отверстие. Когда распределительный вал проворачивается, кулачок, расположенный на нем, надавливает на клапан, опуская его. Благодаря этому отверстие открывается. Подробно устройство распредвала описывается в другом обзоре.

Причины образования нагара на клапанах

Кроме конструктивных особенностей отдельных типов двигателей существуют также объективные причины, по которым образуется нагар на клапанах различных моторов. Так, к ним относятся:

  • Некачественное топливо. К сожалению, во многих марках отечественного топлива (как бензина, так и дизеля) есть большое количество вредных примесей (сера, свинец и прочие). При сгорании топливовоздушной смеси часть этих веществ переходит в смолистое состояние, и оседают в этом виде на поверхности деталей системы ГРМ, в частности, на клапанах. В том случае когда вы заправляетесь топливом с большим количеством различных присадок, в том числе и фероцен либо другая окись железа, что добавляется для снижения детонации, нагар на клапанах будет не черного, а красного цвета.
  • Попадание масла на клапана. Чаще всего такая неисправность наблюдается по причине того, что не справляются со своей функцией маслосъемные колпачки. Из-за этого моторное масло попадает вниз, а далее оседает и впоследствии пригорает на корпусе клапана. Это и является распространенной причиной, почему появляется черный нагар на клапанах.
  • Работа системы EGR. Эта система предназначена для дожигания отработанных газов, используется на многих современных машинах. Не вдаваясь в подробности ее работы, стоит лишь упомянуть, что система возвращает во впускной коллектор некоторое количество выхлопных газов, в составе которых имеется нагар, то есть, смолистые отложения, сажа и так далее. Весь этот мусор может осесть на стенках, а также тарелке клапана системы ГРМ. Причем это не зависит от типа двигателя, поэтому необходимо понимать, что машины, оснащенные системой ЕГР более подвержены образованию нагара на клапанах.
  • Временная составляющая. Любой двигатель внутреннего сгорания устроен таким образом, что на отдельных его деталях (не только клапанах) со временем образуются различного рода налеты. И чем больше пробег — тем больше вероятность образования подобных нагаров. Отличия в предрасположенности к этому состоят лишь в конструктивных особенностях тех или иных двигателей.

В целом же стоит отметить, что с появлением нагара на клапанах сталкивается большинство автолюбителей, особенно тех, кто эксплуатирует машину регулярно и ездит на ней большие расстояния. На начальном этапе это не вызывает больших проблем как для водителя, так и для двигателя

Однако важно вовремя диагностировать неисправность и предпринять соответствующие действия по их устранению

Назначение

Клапаны имеют большое число разновидностей. В зависимости от назначения они подразделяются на запорные, регулирующие, предохранительные, перепускные, отсечные, обратные и др.

  • Обратные клапаны

    пропускают среду в одном направлении и предотвращают её движение в противоположном. С помощью обратной арматуры защищается различное оборудование, трубопроводы, насосы и сосуды под давлением, а также возможно существенно ограничить течь рабочей среды из системы при разрушении её участка.

    2)

  • Запорные клапаны

    применяются для полного перекрытия своего проходного сечения, а следовательно потока рабочей среды.

    3)

  • Предохранительные клапаны применяются для защиты технологической системы и трубопроводов от недопустимого превышения давления рабочей среды за счет ее частичного выпуска из защищаемой системы

  • Регулирующие клапаны применяются для регулирования давления или расхода жидкости.

  • Смесительные клапаны

    предназначены для смешивания потоков жидкостей в различных системах водоснабжения.

    4)

  • Перепускной клапан

    предназначен для поддержания давления среды на требуемом уровне путём перепуска её через ответвление трубопровода.

    5)

  • Отсечной клапан

    предназначен для быстрого отключения трубопровода или его части при аварийной ситуации или по технологическим требованиям.

    6)

  • Электромагнитный (соленоидный) клапан

    применяется в качестве регулирующего и запорного устройства при осуществлении быстрого дистанционного управления (отключения или включения) потоками жидкости, пара, воздуха или газа любой трубопроводной системы.

    7)