Клапан вентиляции картерных газов: принцип работы

Клапанная группа

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).

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.

Клапан регулировки давления масла

Схема того, как устроен клапан достаточно проста, и освоить ее может каждый, кто уже занимался разборкой авто. Клапан включает в себя 4 части:

• пружинку;
• корпус;
• винт для упора пружинки;
• клапан, закрывающий подачу жидкости.

Принцип того, как происходит закрытие подачи жидкости несложно понять, поскольку детали сами по себе просты и даже малоопытный водитель представляет себе их функции. Винт упора создаст в конструкции точку опоры для зажатых витков проволоки. В свою очередь пружина обеспечивает поддержку клапана, изготовленного из шарика или поршня. Шарик или поршень, находясь под давлением жидкости, сжимает пружину, и происходит открытие особого отверстия, через которое вытекает масло. Например, в двигателях марки “Лада” установлен шарик. При достигнутом нужном давлении клапан вновь закрывается и нагнетает масло.

Редуктор располагается меж масляного насоса и камеры сгорания. В тот момент, когда насос пустит оптимальное давление внутрь камеры и сместит клапан, давление начинает выравниваться. Как только показатели уравняются, все вернется на свое место. Чтобы регулировать давление, используется винт для упора пружины. Если затянуть или отпустить болт, можно увеличить или уменьшить показания в давлении системы двигателя.

• Устройство с независимым механизмом клапана в форме отдельного корпуса.
• Встроенный в насос клапан, регулирующий внутри корпуса давление.

Например, уровень давления жидкости “ВАЗ”, некоторые модели имеют независимый клапан. Обязательно учитываются данные конструкционных особенностей, в частности — в случае разборки или починки клапана, а также примыкающих деталей. Клапан редукционного типа, в сравнении с целостной системой двигателя, может показаться достаточно маленьким. Все же он невероятно важен и поломка грозит серьезными неувязками и основательной тратой денег

Хотя механизм небольшой и достаточно прост сам по себе, ему всегда нужно уделять внимание и проводить плановый ремонт. Таким образом, надо понимать поведение машины, в которой клапан функционирует неправильно или вышел из строя

Пружины клапана

Пружина работает в условиях больших нагрузок. Основная её задача заключается в создании надёжной и плотной стыковки клапана и седла. Испытывая нагрузки, пружина может сломаться, зачастую это происходит по причине вхождения её в резонанс. С целью предотвращения этого явления, витки пружины делают с переменным шагом.

Так же можно изготовить коническую или двойную пружину. Двойные пружины обладают дополнительным плюсом, так как наличие двух деталей повышает надёжность механизма и уменьшает общий размер пружин.

Дабы исключить возможность резонанса в двойной пружине, направление витков внутренней и внешней пружин делают разными. Так же это позволяет удержать обломки детали, в случае поломки пружины, осколки задержатся между витками.

Пружины для клапанов изготавливают из проволоки, материал которой — сталь. После придания формы, изделие закаляют и подвергают отпуску. Для повышения прочности, обдувают воздухом с добавлением абразивного материала.

Что бы избежать коррозии, пружины обрабатывают оксидом цинка или кадмия. Концы пружин шлифуют и придают им плоскую форму. Это делается для более эффективной фиксации торцов пружин со специальными неподвижными тарелками в блоке цилиндров. Тарелки изготавливают из стали с низким содержанием углерода, верхнюю тарелку фиксируют на клапане при помощи сухарика.

Различия в конструкциях

Устройство различных предохранительных клапанов может различаться. Так, большая часть арматуры выпускается с одним седлом. Можно встретить и конструкции, в которых два седла (и два штока с пружинами) установлены рядом.

По отношению высоты подъема запорного элемента к его диаметру различают:

• малого подъема: до 1/20;
• среднего подъема: до 1/4;
• полного подъема: свыше 1/4.

Чем выше степень подъема, тем быстрее срабатывает устройство. Малоподъемные модели применяются для жидкостей, там, где не требуется сбрасывать большие объемы для снижения давления до нормального. В них высота подъема пропорциональна напору среды. Полноподъемные называют также двухпозиционными. Они имеют два положения: «Открыто» и «Закрыто» и предназначены для:

• жидкостных систем высокого давления;
• газов.

Такая конструкция позволяет быстро сбросить значительный объем газа или жидкости и применяется в особо ответственных установках и технологических комплексах.

Самые серьезные конструктивные различия наблюдаются в способах приложения нагружающей силы к запорному органу.

Пружинные клапаны

Наиболее распространены в бытовых системах- водонагревательных, водопроводных, отопительных. Золотник прижимается к седлу силой сжатой пружины. Изменяя степень предварительного сжатия пружины регулировочным винтом, можно настраивать ее на разные предельные значения. Многие модели снабжаются рычагом принудительного ручного открытия затвора для того, чтобы время от времени проверять работоспособность. Для устройств, работающих в опасных и вредных для здоровья средах, ручная контрольная продувка не предусматривается. Пружины, седла и камера устройств, работающих в агрессивных жидкостях и газах, покрывается специальными антикоррозийными покрытиями.

Перекрытие клапанов.

Сегодня поговорим про перекрытие клапанов, что это такое и для чего это нужно? У нас есть два клапана впускной и выпускной в двигателе. Через впускной клапан поступает воздушно топливная смесь, а через выпускной отводятся отработанные газы сгоревшие в цилиндрах двигателя. Теоретически если один клапан открыт то другой закрыт. Но есть такой момент одновременное открытие двух клапанов это и называется перекрытие клапанов. Впускной клапан открывается немного раньше,а выпускной закрывается чуточку позже и есть очень короткий промежуток времени когда два клапана остаются открытыми. Так сказать идёт продувка цилиндров. У двигателя внутреннего сгорания чем выше обороты ( средние высокие ) тем больше поток воздушно топливной смеси двигатель должен переработать и соответственно большее количество отработанных газов надо вывести. Чем быстрее мы подаём смесь и выводим отработанные газы тем мощнее движок. И когда два клапана немного приоткрыты создаётся эффект продувки цилиндров двигателя. Период перекрытия клапанов имеет место когда поршень находится у верхней мёртвой точке на такте выпуска. В камере сгорания топливная смесь была сжата ,воспламенилась , поршень ушёл вниз и потом он идёт вверх и должен отвести отработанные газы, выпускной клапан открывается, но над поршнем создаётся разряжение и в этот момент начинает открываться на минимальное значение впускной клапан и свежая воздушно топливная смесь начинает засасываться в это разряжение и начинает сильнее выталкивать уже сгоревшую смесь. Происходит более быстрая продувка цилиндров и попадание свежей смеси. В этот момент приоткрыты два клапана когда поршень идёт вверх. Это работает эффективно на средних и высоких оборотах двигателя когда поток смеси огромный. На низких от 700 до 1000 оборотах это не работает. Может получиться так,что часть отработанных газов пойдёт во впускной коллектор и смешаться со свежей смесью. И вся смесь получится обеднённой и мотор на холостых оборотах будет работать не стабильно. На моторах где не было фазовращателей стояли обычные звёздочки или шестерни (цепь или ремень)не разборные. То на распредвалах валах были выставленных усреднённые значения открытия и закрытия клапанов,перекрытия клапанов. Это делалось для более устойчивой работы двигателя как на низких так и на высоких оборотах. Теперь на современных движках устанавливают фазо распределители как на впуске так и на выпуске. Они могут смещать фазы в зависимости от количества оборотов.Благодаря фазовращателям добавляется около 10 % мощности к мощности двигателя.

Статьи по теме

Уходит антифриз, а подтеков нет: причины и устранение проблемы

Почему не работает омыватель лобового стекла и как устранить неполадку

Датчик уровня антифриза: ремонт или только замена

Ремонт рулевой рейки: этапы и особенности

Можно ли мешать тосол с антифризом: мнение экспертов и автолюбителей

Диагностика рулевого управления автомобиля: почему без нее никак

Не работают дворники: причины неисправности и метода решения проблем

Течет бачок антифриза: поиск неисправности и пути устранения

Стук при повороте руля: основные причины неисправности

Сломалась рулевая рейка: причины и дальнейшие действия

Жидкая резина для автомобиля: преимущества и особенности использования

Стук в рулевой рейке: ищем причину, разбираемся с последствиями

Как поменять моторчик дворников: простые советы опытных автовладельцев

Как убрать стук рейки и продлить срок ее службы

Стук рулевой тяги: причины, диагностика, замена

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.

Определение прогара клапана без снятия головки блока

Первым делом необходимо определить неработающий цилиндр. Способы проверки во многом напоминают диагностику неисправных свечей зажигания. Для проверки следует завести двигатель, после чего при работающем моторе на холостых оборотах потребуется по одному снимать колпаки со свечей зажигания.

После снятия каждого свечного колпачка нужно внимательно следить за оборотами холостого хода и за общей стабильностью работы двигателя. Если мотор начал троить сильнее или глохнуть, тогда цилиндр, с которого сняли колпачок, является рабочим. В том случае, если после снятия колпачка работа двигателя не меняется или обороты изменяются незначительно, тогда проблемный цилиндр обнаружен.

Затем нужно выкрутить свечу зажигания на неработающем цилиндре и заменить ее на заведомо исправную, а также проверить высоковольтный бронепровод данного цилиндра на работоспособность. Также не лишней будет проверка катушки зажигания и т.д. Последующий запуск двигателя покажет, кроется ли проблема в элементах системы зажигания автомобиля или необходима дальнейшая диагностика.

Если характер работы мотора после установки рабочей свечи, замены высоковольтного провода и проверки других компонентов системы зажигания не изменится (двигатель продолжает троить), тогда высока вероятность более серьезных поломок:

• прогар клапана ;
• неисправности ЦПГ;

Прогар клапанов означает, что в цилиндре снижается компрессия по причине нарушения герметичности камеры сгорания (неплотности во время прилегания впускного или выпускного клапана, разрушение тарелки и/или седла клапана). Износ цилиндро-поршневой группы и поломка поршня также приводят к тому, что в проблемном цилиндре окажется низкая компрессия. Также цилиндр может не работать по причине залегания или поломки поршневых колец.

Теперь необходимо локализовать неисправность, то есть точно определить прогар клапана или выявить проблемы с ЦПГ. Наиболее распространенным способом определения прогоревших клапанов является замер компрессии в цилиндрах.

Низкая компрессия явно свидетельствует о неисправности, при этом следует учитывать один нюанс. Установить прогара клапана и исключить неполадки ЦПГ только по показателю компрессии не получится. Дело в том, что компрессия в двигателе может снижаться как в результате прогоревшего клапана, так и по причине поломки поршневых колец, а также ряда других дефектов. По этой причине параллельно замеру компрессии следует провести дополнительную диагностику двигателя.

1. Простейшим способом определения прогара клапана после того, как вы измерили компрессию в цилиндрах, является заливка нескольких «кубиков» моторного масла через свечной колодец. Затем компрессию нужно измерить повторно. Поднятие компрессии в цилиндре после заливки масла укажет на то, что образовалась масляная пленка, играющая роль «уплотнителя». Такое явление характерно в случае износа поршневой. Если показатель компрессии не изменился, значит, имеет место прогар клапана, так как масло в цилиндре в этом случае никак не повлияет на компрессию.
2. Также для определения прогара клапанов следует осмотреть свечу зажигания на проблемном цилиндре. Явный признак прогара клапана является тем, что свеча зажигания окажется полностью сухой, то есть не имеет характерного масляного налета. Также из сапуна двигателя может выходить дым или воздух. Интенсивность появления дыма напрямую зависит от степени износа ЦПГ.

Что касается поломок, которые связаны с поршневой, свеча в таком случае покрыта маслом, из сапуна можно наблюдать появление сизого дыма. Отметим, что масло на свече является косвенным признаком. Даже если свеча зажигания сухая или покрыта небольшим нагаром, но из сапуна идет дым, тогда указанный признак свидетельствует о проблемах с поршнем или поршневыми кольцами. На новых моторах с небольшим пробегом высока вероятность того, что .

Добавим, что появление моторного масла, которое выходит через сапун, также указывает на неисправность перегородок между поршневыми кольцами. С учетом вышесказанного можно точно определить, почему снизилась компрессия в двигателе, выявить проблемы с цилиндро-поршневой группой или определить прогар клапанов ГРМ.

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 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.

Преимущества пилотного клапана

Для пользователя наиболее важны следующие плюсы оборудования:

Разнообразие моделей. Можно приобрести пилотный клапан для работы в качестве вентиля или ограничителя расхода. Есть и многофункциональные модификации

Немаловажно и то, что не приходится вносить изменения в основной клапан. Все коррективы затрагивают исключительно пилотную конструкцию.
Минимальные расходы

Структура пилотных клапанов достаточно универсальна. Нет необходимости тратить ресурсы на изготовление узла с индивидуальными параметрами.
Пилотный клапан навинчивается на основной. Исключены сварочные работы, приводящие к нагреву металла и изменению его структуры.
Есть возможность предельно точно регулировать давление или расход рабочей среды в трубопроводе.
За счет последовательного или параллельного соединения нескольких пилотов можно увеличить функционал даже стандартных клапанов всех типов.
Практически отсутствуют ограничения по типу рабочей среды. Основное условие — правильный подбор уплотнительных соединений. Если его выполнить, пилотные клапаны можно устанавливать на трубопроводах, предназначенных для перекачки даже аммиака и газов. Максимально допустимое давление у существующих моделей — 160 бар.

Вывод

ГРМ является одним из важнейших элементов автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. В случае его неисправности силовой агрегат перестанет работать в нормальном режиме, а езда не только менее комфортной, но и небезопасной. К счастью, основные элемента механизма имеют большой эксплуатационный ресурс, так что на протяжении всего периода пользования автомобилем водитель может столкнуться лишь с проблемой замены ремня/цепи и натяжителя. Чтобы избежать проблем с газораспределительным механизмов вам стоит использовать только качественное моторное масло, заправляться топливом с проверенной АЗС, а также вовремя менять расходники.