Выпускной клапан

Верхнее положение вала

В зависимости от конструкции силового агрегата, вал может быть расположен, либо вверху над блоком, либо внутри него. Рассмотрим сначала первый случай.

Благодаря верхнему положению вала другие детали взаимосвязаны с цилиндрами или толкателями.

В описанной системе, распредвал, находящийся в двигателе наверху, работает благодаря приводу, имеющему зубчатые зацепы. Также видно, что кулачки и устройство толкателей, находящихся прямо над двумя затворами, связаны между собой.

Давление толкателя, оказываемое на кулачок, побуждает деталь, на которой держится клапан, ослабить пружинку. Далее, когда вал вращается, пружина делает ход и становится на свое место, тогда происходит закрытие клапана.

Основные причины прогара клапанов

• детонация;
• нарушение теплового зазора клапанов;
• слишком позднее/раннее зажигание;
• некачественный бензин.

1. Детонация

Детонация – процесс неправильного горения ТПВС, при котором возникает ударная волна, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью. Детонационное сгорание – одна из главных причин прогара поршней и клапанов. 

Причины детонации:

• несоответствие октанового числа бензина и степени сжатия. Скорость горения низкооктанового топлива выше, а температура самовоспламенения ниже. Поэтому смесь детонирует еще до момента подачи искры;
• низкокачественный бензин. В попытках повысить октановое число бензина с помощью присадок недобросовестные АЗС иногда путают пропорции. При этом возможна ситуация, когда заявленное октановое число как ниже, так и выше фактического. Во втором случае присадки замедляют скорость горения смеси, из-за чего повышается термохимическая нагрузка на выпускные клапаны;
• слишком низкое калильное число свечей зажигания. Смесь самовоспламеняется от раскаленных частей свечи;
• бедная смесь. Из-за переизбытка окислителя (кислорода) в конце такта сжатия вблизи раскаленных участков камеры сгорания начинаются предпламенные реакции, перерастающие в детонационное сгорание. Причина бедной смеси может быть в подсосе воздуха, забитых форсунках, нехватке давления топлива.

2. Нарушение теплового зазора

Если тепловой зазор в клапанном приводе слишком мал, клапан неплотно прилегает к седлу, из-за чего нарушается отвод тепла. Из-за постоянного перегрева в головке клапана появляются трещины, а наиболее теплонагруженные частицы и вовсе откалываются.

Неправильная регулировка выпускных клапанов также может стать одной из причин детонации, так как при высокой температуре появляется риск предпламенных реакций.

3. Влияние позднего и раннего зажигания

При несвоевременном начале горения ТПВС клапана переживают повышенные термохимические нагрузки. Так, при раннем зажигании смесь поджигается раньше расчетного времени приближения поршня к ВМТ. Поэтому пик давления в цилиндре нарастает ранее идеальных 10-15º после ВМТ. Поршень, клапаны и стенки камеры сгорания при этом переживают чрезмерные термические и ударные нагрузки.

Слишком позднее зажигание приводит к тому, что смесь еще активно догорает, когда выпускные клапаны начинают открываться. Опять-таки повышенные термические нагрузки приводят к прогару выпускных клапанов.

Устройство газораспределительного механизма

Газораспределительный механизм состоит из следующих элементов:

1. Распределительный вал — изготовляется из чугуна или стали — в задачу которого входит открывание/закрывание клапанов газораспределительного механизма при работе цилиндров. Он монтируется в картере, который перекрывает крышка газораспределительного механизма, или в головке блока цилиндра. При вращении вала на цилиндрических шейках происходит воздействие на клапан. На него воздействуют кулачки, расположенные на распределительном валу. На каждый клапан воздействует свой кулачек.
2. Толкатели, изготовленные также из чугуна или стали. В их задачу входит передача усилия от кулачков на клапаны.
3. Клапаны впускные и выпускные. В их задачу входит подача топливно-воздушное смеси в камеру сгорания и удаления отработочных газов. Клапан представляет из себя стержень с плоской головкой. Основным отличием впускных и выпускных клапанов является диаметр головки. Впускной состоит из стали с хромированным покрытием, а выпускной — из жаропрочной стали. Клапанный стержень изготавливается в виде цилиндра с канавкой, необходимой для фиксирования пружины. Клапана двигаются только по направлению ко втулкам. Чтоб масло не попадало в камеру сгорания цилиндра, производят установку уплотнительного колпачка. Его изготавливают из маслостойкой резины. На каждый клапан крепятся внутренняя и наружная пружина, для крепления используют шайбы, тарелки.
4. Штанги. Они необходимы для передачи усилия от толкателей к коромыслу.
5. Привод газораспределительного механизма. Он передает вращение коленвала на распредвал и тем самым приводит его в движения, причем движется он со скоростью в 2 раза меньше, чем скорость коленвала. На 2 вращения коленвала распредвал делает 1 вращение — это и называется рабочим циклом, при котором происходит 1 открытие клапанов.

Схема устройства ГРМ

Таково устройство ГРМ и общая схема газораспределительного механизма. Теперь следует разобраться, каков принцип работы газораспределительного механизма.

Проверка работоспособности

Есть три способа проверки правильности притирки клапана.

➤ С помощью вакуум-тестера. Самый надёжный и простой вариант. Подключите инструмент к каждому отверстию со сторон впускного и выпускного коллекторов. Теперь используйте его. Если клапана притёрты плохо, уровень разряжения на манометре будет недостаточным. ➤ С помощью керосина. Установите клапана на место, положите головку вверх камерой сгорания и налейте сверху керосин. Оставьте их так на несколько часов. Если керосин не вытек — всё в порядке. Эксперты не рекомендуют использовать этот метод, так как он не слишком надёжен. ➤ С помощью карандаша. Рисуем радиальные линии по всей окружности рабочей кромки седла клапана. Устанавливаем клапан на место, крепко прижимаем его и вращаем по кругу. Достаём изделие и смотрим на узор. Если линии стёрлись и равномерно закрасили поверхность — всё в порядке. Если имеются неровности — притирка выполнена неправильно. Притирка клапанов обеспечивает нормальную работу двигателя. Обязательно регулярно прибегайте к процедуре — так вы сможете избежать проблем с силовым агрегатом.

Процедура регулировки

1. Разбираем воздушный фильтр, вплоть до снятия его корпуса;

Сборочные работы проводим в обратном порядке.

Личные рекомендации

И в инструкции по эксплуатации, и в технологических картах по ТО указывается, что регулировать тепловые зазоры на моторах этого типа следует каждые 25-30 тыс. км. А на самом деле следует придерживаться шоферского правила: «…не мешай машине работать». Если ничего не происходит с клапанами, то и не следует туда и лазить. Тем более, что существует еще одно инженерное правило: процесс притирки трущихся сопряженных пар наиболее интенсивен после проведения разборо-сборочных работ. Поэтому старайтесь их делать пореже.

• Как и любую другую разборо-сборочную или ремонтную операцию – если вы ее выполняете впервые в своей жизни – сделайте под чьим-то «чутким руководством», потому что одна нелепая ошибка может привести к «долгоиграющим» печальным последствиям.
• Регулировка клапанов – не самая затратная, но одна из самых хлопотных процедур по обслуживанию двигателя. Если в вашем регионе (городе, районе) вы найдете специалиста, который сделает эту работу за 500 или даже 700 рублей, то – не парьтесь. Тем более, что тех самых пресловутых регулировочных шайб у каждого моториста в ящичке – по нескольку сотен штук…

Двигатель, имеющий один вал распределителя

Существуют двигатели внутреннего сгорания, не имеющих толкатели, поэтому для открытия и закрытия затворов используется распределительный вал в виде одинарного типа. Называется эта конструкция – однораспредвальный двигатель. Там детали клапана помещаются в головке. Конструкция имеет мало подвижных частей, именно это способствует ее надежности, позволяя действовать даже тогда, когда скорость автомобиля на пределе. При этом материал, из которого изготавливаются запчасти – металл (специальный сплав).

Для более эффективной работы мотора между элементами должно быть свободное пространство – зазор. Если зазоры между затворной ножкой, кулачком или коромыслом отсутствуют, тогда система будет работать на износ, вызвав серьезные повреждения.

Также стоит отметить, что излишние зазоры приведут к тому, что клапан совершит открытие раньше времени, а закрытие позже. Таким образом, сила ДВС будет снижена, а под высоким давлением затворов ход будет осуществляться шумнее.

Есть такие двигатели внутреннего сгорания, которые работают автоматически, сами подстраивая затворы под нужное действие. Для этого нужно обильное количество смазочной жидкости, ведь именно под ее давлением будет работать система клапанов.

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.

Особенности впускного клапана

Впускной клапан является элементом механизма газораспределения ДВС. Благодаря ему в рабочую камеру сгорания поступает топливно-воздушная смесь или просто воздух. Сначала эта деталь открывает доступ к цилиндру, а уже перед тактом сжатия  перекрывает его.

Другие особенности, которыми обладает впускной клапан двигателя:

• основа конструкции – тарелка и стержень;
• наличие в конструкции внутренней и наружной пружины, которые крепятся к стержню;
• приводится в действие с помощью рычага от кулачка распредвала или непосредственно давлением от этого кулачка;
• качественные материалы изготовления, обеспечивающие высокую теплопроводность, способность запчасти противостоять динамическим нагрузкам и негативному воздействию продуктов сгорания;
• наиболее популярный материал изготовления – хромистая сталь.

Пропускная способность и технические потери

Собственно задача ГРМ, и в частности клапанов одна – максимально быстро подводить воздушно топливную смесь и также максимально быстро ее отводить из блока цилиндров. Я думаю это понятно, и никаких сложностей не вызывает.

Так думали и многие инженеры, на первых моторах клапана были достаточно большими, они закрывали большие проходы в головки блока цилиндров (которые шли на впускной и выпускной коллектора). Нужно отметить, что четырехтактные моторы были именно с 8 клапанами, это является как бы классической схемой.

Но большой клапан имеет большую инерцию и при высоких оборотах увеличивались механические потери. Ведь кулачку распределительного вала, нужно было толкать этот тяжелый механизм.

Затем их начали уменьшать. Да, потери снизились, но и пропускная способность также уменьшилась.

Как выйти из положения?

Начали увеличивать количество, то есть делать их миниатюрными, но больше. Так появились варианты с 12 – 16 – 20 и даже с 24 клапанами. НО опять же выжили только два, основных типа — это 8 и 16, то есть 2 и 4 клапана на цилиндр (если брать 4 цилиндровый мотор).

Впускной и выпускной клапан — отличия

Главное отличие впускного клапана от выпускного – диаметр тарелки: у впускного она больше. Почему? Потому что всасывание воздуха из атмосферы в цилиндр под действием разрежения происходит с меньшей скоростью, чем выталкивание его из цилиндра поршнем.

Все просто: количество воздуха (или топливовоздушной смеси) – одинаковое, а скорость – разная. Соответственно, там, где скорость ниже, отверстие шире, а закрывающая его тарелка – больше в диаметре.

Все это справедливо для тех клапанных механизмов, где впускных и выпускных клапанов – равное количество – по одному или по два. Впрочем, есть моторы с нечетным количеством клапанов: два впускных + один выпускной или три впускных + два выпускных. Тут все наоборот: диаметр тарелок выпускных клапанов будет больше, чем у впускных, ибо производитель компенсировал низкую скорость всасывания добавлением одного «лишнего» отверстия, а не увеличением диаметра. Подробнее о соотношении клапанов и цилиндров можно прочитать в соответствующей статье.

Второе важное отличие в конструкции клапанов – их рабочая температура. Впускные клапаны работают при 350-500 градусах, а вот выпускным тяжелее – раскаленные отработавшие газы нагревают их до 700-900 градусов

Поэтому, соответственно, выпускные клапаны часто делают более жаропрочными.

KnowCar — понятная энциклопедия по устройству автомобилей, где сложное описано простым языком, с иллюстрациями и видео, а статьи рассортированы по разделам. Энциклопедия в процессе наполнения. Если есть вопросы или предложения, свяжитесь с командой. Все контактные данные — внизу сайта.

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.

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.

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.

Материалы для производства клапанов

Для изготовления впускных клапанов используется хромистая сталь, обладающая стойкостью против коррозии в газовых средах при температурах свыше 550 °C. Этот вид стали достаточно хрупок.

Впускные и выпускные клапаны автомобильных двигателей имеют тарельчатую форму. Клапан открывается под действием клапанного механизма, управляемого эксцентриковым кулачком. Работа кулачка синхронизирована с положением поршня и периодом вращения коленчатого вала.

Направляющая втулка клапана расположена соосно с седлом клапана, так чтобы между рабочей фаской клапана и седлом обеспечивался герметичный газонепроницаемый контакт. Рабочая фаска клапана и седло скошены под углом 30° или 45°. Это номинальные значения угла фаски. Фактические значения могут на один-два градуса отличаться от номинальных. Клапаны и седла клапанов, используемые в большинстве двигателей, имеют номинальный угол фаски, равный 45°. Клапан прижимается к седлу под действием пружины. Пружина удерживается на стержне клапана (некоторые автомеханики называют его штоком клапана) опорной тарелкой пружины, которая, в свою очередь, контрится на стержне клапана замком (сухариками). Для демонтажа клапана необходимо сжать пружину и снять сухарики. После этого можно снять пружину, манжету, и вынуть клапан из головки.

Всесторонние испытания показали, что между различными геометрическими параметрами клапанов существуют оптимальные соотношения. В двигателях с цилиндрами внутренним диаметром от 3 до 8 дюймов (от 80 до 200 мм) для впускного клапана оптимальным будет диаметр головки, составляющий приблизительно 45% внутреннего диаметра цилиндра. Оптимальный диаметр головки выпускного клапана составляет примерно 38% внутреннего диаметра цилиндра. Впускной клапан должен быть больше по размеру, чем выпускной, чтобы пропускать ту же массу газа. Больший по размеру впускной клапан управляет низкоскоростным потоком разреженного газа. В то же время выпускной клапан управляет высокоскоростным потоком сжатого газа. С таким потоком в состоянии справиться клапан меньшего размера. Вследствие этого диаметр головки выпускного клапана составляет примерно 85% диаметра головки впускного клапана. Для нормального функционирования диаметр головки клапана должен составлять приблизительно 115% диаметра клапанного окна. Клапан должен быть достаточно большим, чтобы перекрывать окно. Высота подъема клапана над седлом составляет примерно 25% диаметра головки.

Как определить стук клапанов?

Для определения стука клапанов вам потребуется технический фонендоскоп. Вы сможете максимально точно локализировать источник звука, отличив стук в двигателе со стороны цепного привода ГРМ от стрекота гидрокомпенсаторов, который будет доноситься из-под клапанной крышки.

В некоторых случаях источник постороннего звука можно определить по косвенным признакам неисправности тех или иных компонентов. Так стук клапанов на холодном двигателе чаще всего говорит о слишком большом тепловом зазоре, который по мере прогрева двигателя уменьшается.

Неправильную работу гидрокомпенсаторов также можно определить на слух и по косвенным признакам:

• характерный стрекот появляется в первые секунды или минуты после запуска;
• клапана стучат на горячую. По мере прогрева двигателя вязкость масла уменьшается. Если из-за критичного износа зазоры в плунжерной паре увеличиваются, напор масла и давление на плунжер уменьшаются. Как следствие, гидрокомпенсатор не обеспечивает компенсацию теплового зазора.

Как устроены?

В корпусе гидравлического толкателя имеется плунжер. В последнем есть две камеры. Это нагнетательная и камера подачи, в которую поступает смазка от двигателя во время работы. Далее это масло проходит через шариковый клапан в нагнетательную часть. Чтобы компенсировать зазоры с высокой точностью, объем жидкости дозируется в плунжере. Ее из корпуса толкателя выдавливает пружина. Таким образом, тепловой зазор восстанавливается до нормальных значений. Во время открытия впускного или выпускного клапана, масло находится в камере нагнетания. Шариковый клапан возвращает часть его назад, в камеру подачи. Когда корпус толкателя перемещается вверх, создается определенное давление жидкости. Масло не дает плунжеру переместиться относительно корпуса. Когда клапан закрывается, происходит утечка смазки со стороны плунжера. Однако при новом открытии этот недостаток компенсируется через нагнетательную камеру. При запуске двигателя, элементы газораспределительного механизма набирают рабочую температуру. Металл расширяется, а объем масла в камере нагнетания уменьшается. Благодаря слаженной работе механизма, компенсируются зазоры между клапанами. Также в работе задействуются такие элементы, как коромысло и штанга клапана. Ниже мы рассмотрим, что они собой представляют.

Основные причины стука клапанов

Причины стука клапанов самые разнообразные. Про каждую из них нужно говорить отдельно. Все без исключения ДВС имеют распределительный вал, расположенный сверху. Благодаря наличию толкателей на этом валу осуществляется работа клапанов. Определим основные причины, по которым стучат эти детали:

• Нарушение зазора толкатель-клапан. На заводе во время сборки производится настройка расстояний между клапанами и стержнями. Если эта величина изменяется в процессе эксплуатации, то клапаны начинают стучать с характерным металлическим звуком. Шум хорошо слышен и на холостых оборотах.
• Экономия на горючем. Встречается ситуация, когда владелец авто экономит за счет покупки низкокачественного топлива. Последствия такого поведения плачевны. Топливо, не соответствующее типу двигателя, вызывает детонацию и, как следствие, повреждение клапанов.
• Низкое давление масла в момент разгона. Иногда стук клапанов появляется только при нажатии на педаль газа при движении. Причиной этого является малое давление масла в системе смазки мотора, что не дает ему увеличить обороты.
• Ремень ГРМ в случае неточной установки или при нарушившемся положении тоже может вызывать стук.

Очень часто клапана стучат по вполне банальной причине – износ в процессе эксплуатации. То есть их нужно просто заменить вследствие выработки ресурса.