Устройство работы клапанов двигателя

Гидротолкатель клапанов. Устройство и принцип действия

Клапаны газораспределительного механизма при­водятся в действие непосредственно кулачками распре­делительных валов через цилиндрические гидротолка­тели (гидрокомпенсаторы зазора), которые расположены в направляющих отверстиях головки цилиндров по оси отверстий под клапана.

Благодаря гидротолкателям (гидравлическим толкателям) уменьшаются стуки, ме­ханизм работает более плавно и четко, устраняются не­исправности двигателя, которые могли быть при нару­шении зазоров (прогары клапанов, потеря мощности и т.п.). В связи с отсутствием зазора, не изменяются фазы газораспределения при износе деталей клапанного ме­ханизма. Кроме того, при техническом обслуживании автомобиля не требуется регулировать зазор в клапан­ном механизме.

Гид­ротолкатель состоит из корпуса толкателя 1, цилиндра 2, плунжера 5 и обратного шарикового клапана 3, который под­жат к отверстию в поршне пружиной. Поршень и плун­жер разжимаются возвратной пружиной 4, находящейся между ними.

Масло для работы гидротолкателей подводится из системы смазки по каналу Н, а затем по каналам, выпол­ненным на нижней плоскости корпуса подшипников. По этим же каналам подводится масло и для смазки шеек распределительных валов. Кулачки валов смазываются маслом, находящимся в ваннах головки цилиндров под кулачками. В канале Н расположен обратный шариковый клапан 15, не допускающий слива масла из верхних каналов после остановки двигателя.

Рис. Гидротолкатель:
1 – корпус; 2 – цилиндр; 3 – шариковый клапан; 4 – пружина; 5 – плунжер; 6 – распределительный вал; 7 – жиклер; 8 – разрез головки блока; 9 – кулачок; 10 – гидротолкатель; 11 – клапанная пружина; 12 – направляющая втулка; 13 – клапан; 14 – головка блока; 15 – обратный шариковый клапан; а – накопительная камера; b – поршневая камера; c – рабочая камера; H – канал подачи смазки

Работа гидротолкателя

Когда клапан закрыт, масло из канала Н поступает в толкатель через канавку и отверстие в боковой поверхности. Масло проходит через паз, расположенный в верхней части толкателя и поступает в цилиндр толкателя. Пружина и масло, находящиеся между цилиндром 2 и плунже­ром 5, разжимает их и прижимает верхнюю плоскость корпуса толкателя 1 к кулачку, а нижнюю плоскость плунжера к торцу клапана, выбирая зазор в клапанном механизме. Жесткость этой пружины и давление масла намного меньше жесткости пружины клапана и поэтому клапан остается закрытым, когда толкатель касается затылочной части кулачка.

Когда на толкатель начинает воздействовать набега­ющая часть кулачка, происходит короткий ускоряющий удар по корпусу толкателя, а т.к. шариковый клапан закрыт, то в камере «с» создается высокое давление. Поскольку жидкость (масло) в камере «с» практически несжимаема, узел цилиндр-плунжер становится жестким и передает усилие от кулачка на клапан.

Рис. Принцип работы гидротолкателя

По мере дальнейшего поворота кулачка давление в камере «с» увеличивается и небольшая часть масла из камеры «с» перетекает в камеру «а» через зазор между поршнем и плунжером. Поэтому общая длина узла цилиндр-плунжер уменьшается, но не более, чем на 0,1 мм.

После закрытия клапана 13 начинается процесс вы­борки зазора в клапанном механизме. Силы от кулачка и клапана 15 уже не действуют на гидротолкатель. Воз­вратная пружина снова раздвигает цилиндр с плунже­ром, прижимая верхнюю плоскость корпуса толкателя 1 к кулачку, а нижнюю плоскость плунжера — к торцу клапана. При этом давление в камере «с» становится меньше, чем в камере «а», шариковый клапан открывается и в камеру «с» доливается масло из камеры «а».

Кроме чашечных гидротолкателей в двигателях могут применяться гидротолкатели 3, на которые воздействуют коромысла 4. Коромысла качаются на вставных осях 6. Гидротолкатель находится в каждом рычаге непосредственно над стержнем клапана. Масло подводится к гидротолкателю от вставной оси через продольное сверление 5 в рычаге клапана. Равномерное распределение давления в зоне контакта рычага с клапаном обеспечивается подпятником 2. Для уменьшения потерь на привод клапанов в указанном коромысле трение скольжения заменено трением качения, за счет применения ролика.

Рис. Гидротолкатель с коромыслом:
1 – стержень клапана; 2 – подпятник; 3 – гидротолкатель; 4 – коромысло; 5 – продольное сверление; 6 – ось

Принцип действия гидротолкателя с коромыслом аналогичен чашечному гидротолкателю.

Клапаны двигателя

Любой современный автомобиль — конструкция, состоящая из большого количества деталей, проводов и электроприборов, которые контролируют и обеспечивают работоспособность всех узлов, агрегатов, систем. Сердцем каждой машины является двигатель внутреннего сгорания. Он представляет собой сложный механизм, который предназначен для переработки тепловой энергии в механическую, чтобы обеспечивать движение транспортного средства.

ДВС имеет множество элементов, от полноценной работы которых зависит очень многое, поэтому даже такие, вроде бы мелкие, детали, как клапаны двигателя играют большую роль в его функционировании. Без них двигатель очень быстро потеряет всю свою ресурсоспособность.

На всеукраинской торговой площадке zakupka.com вы найдете огромное множество предложений и широкий ассортимент самых разных товаров и услуг для автомобилистов. Нужна вам крышка двигателя, инжектор или новое масло — в нашем каталоге найдется все. Вас ждут выгодные покупки, умеренная цена, функциональный поиск и отличный сервис.

Конструкция клапанов в авто

Клапаны не попадают в категорию расходников, однако, обязательно потребуют замены, если была проведена неправильная регулировка или при полном ее отсутствии. Перед тем как купить недостающую запчасть, особенно для двигателя, необходимо детальнее ознакомиться с инструкцией к своему автомобилю. Такая рекомендация обуславливается тем, что, например, на Рено и ВАЗ однозначно стоят разные двигатели, которые в целом имеют аналогичную сборку, но наделены некоторыми различными характеристиками.

Впускные и выпускные клапаны двигателей внутреннего сгорания автомобилей, как правило, имеют тарельчатую форму. Эксцентриковый кулачок управляет специальным клапанным механизмом, посредством которого открывается сам клапан. Устройство и его работа непосредственно связаны с положением поршня и периодом вращения коленвала.

В свою очередь, направляющая втулка, которая располагается рядом с седлом клапана, обеспечивает герметичный газонепроницаемый контакт между седлом и рабочей фаской. Эти два элемента скошены под углом в тридцать или сорок пять градусов. Данные значения являются номинальными, поэтому фактические зачастую отличаются на один-два градуса. К седлу клапан прижимается под действием пружины, которая удерживается на штоке своей опорной тарелкой, законтренной замком на стержне.

Между различными геометрическими параметрами клапанов двигателей существует оптимальное соотношение. Для двигателей, в которых цилиндры имеют внутренний диаметр от трех до восьми дюймов (80-200 мм) оптимальным диаметром головки впускного клапана будет тот, который составляет примерно 45%, а оптимальным диаметром выпускного клапана — приблизительно 38% внутреннего диаметра самого цилиндра.

Впускной клапан обязательно должен иметь больший размер, чем выпускной, поскольку он не только пропускает ту же массу газа, а также управляет низкоскоростным потоком разреженного газа. Одновременно с этим, выпускной клапан управляет потоком сжатого газа, с которым справится клапан меньшего размера. Таким образом, диаметр головки выпускного составляет около 85% диаметра впускного. Кроме того, для полноценного функционирования диаметр головки клапана должен составлять от 100% до 115% диаметра клапанного окна, ведь сам клапан должен быть достаточно большим, чтобы перекрыть окно. А высота подъема клапана над седлом будет составлять практически 25% диаметра головки.

Если после остановки двигателя сразу происходит попадание холодного воздуха на горячие выпускные клапаны, это может привести к их серьезному повреждению. В тех ДВС, которые оснащены выпускными коллекторными головками, а также прямоточными глушителями, холодному воздуху всегда открыт прямой доступ до выпускных клапанов. Резкое охлаждение, как правило, вызывает коробление либо в клапане начинают образовываться трещины. Для устранения рисков возникновения подобных проблем существуют противоточные глушители с длинными выхлопными трубками и нейтрализаторами отработавших газов.

Газораспределительный механизм

Основа нормального функционирования двигателя – это слаженная работа всех его механизмов и систем. Одним из таких важных составляющих силового агрегата является газораспределительный механизм, который отвечает за подачу воздуха во все цилиндры машины и вывод выхлопных газов.

Назначение и принцип действия ГРМ

Газораспределительный механизм в двигателе внутреннего сгорания предназначается для своевременной подачи воздушно-топливной смеси или воздуха в цилиндры и выпуска оттуда отработанных газов. Работа механизма осуществляется за счет своевременного открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.

Рабочий процесс ГРМ основывается на синхронном движении распределительного и коленчатого вала, что обуславливает открытие и закрытие клапанов в нужный момент моторного цикла. Во время вращательного движения распредвала, кулачки надавливают на рычаги, а те на стержни клапанов, открывая их. Следующий поворот распредвала поворачивает кулачек, который занимает исходную позицию и закрывает клапан.

Классификация газораспределительных механизмов

Двигатели на современных автомобилях оснащаются разными газораспределительными механизмами, которые имеют следующую классификацию:

1. В зависимости от расположения распределительного вала – нижнее или верхнее.
2. В зависимости от числа распределительных валов – один или SONC (Single OverHead Camshaft), либо два вала – DOHC (Double OverHead Camshaft).
3. В зависимости от количества клапанов – от 2 до 5.
4. От разновидности привода вала – шестеренчатый, цепной или с зубчатым ремнем.

Двигатели с верхним расположением вала считаются наиболее эффективными, и получили самое широкое распространение. В них клапана приводятся в движение распредвалом через рычаги толкателей. Это упрощает всю конструкцию, снижает массу двигателя и уменьшает силу инерции. В такой компоновке вал монтируется в головке, рядом с клапанами. Движение с коленчатого вала передается при помощи роликовой цепи или зубчатого ремня.

При нижнем положении вала ГРМ, он монтируется рядом с коленчатым валом в блоке цилиндров. Передача усилия на клапана происходит при помощи толкателей через коромысла. Распредвал входит в зацепление с коленвалом при помощи шестерни. Такая конструкция двигателя считается усложненной, к тому же инерция двигающихся частей механизма возрастет.

Количество распределительных валов механизма и клапанов на каждый цилиндр зависит от варианта двигателя. Чем больше в нем клапанов предусмотрено, тем лучше цилиндры заполняются воздухом или горючей смесью, и очищаются от газов. Благодаря этому, двигатель в состоянии развить больший крутящий момент и мощность. Нечетное количество клапанов означает большее число впускных в сравнении с выпускными.

Устройство ГРМ

Газораспределительный механизм имеет следующие основные элементы:

1. Распределительный вал. Открывает клапаны в определенной последовательности в зависимости от порядка работы цилиндров. Его изготавливают из чугуна или стали, и подвергают закалке токами высокой частоты трущиеся поверхности. Он может быть смонтирован в головке блока цилиндров или в картере. В многоклапанных двигателях расположено два распределительных вала, один из которых управляет впускными клапанами, а другой выпускными. Вращение вала происходит на цилиндрических опорных шейках. Прямое или непрямое воздействие на клапана осуществляется кулачками, расположенными на валу. Каждый кулачек соответствует одному клапану.

2. Привод клапанов. Клапаны приводятся в движение различными способами: при расположении распредвала в картере, усилие от кулачков передается на толкатели, штанги и коромысла.

Коромысло (рокер или роликовый рычаг) выполнено из стали, его устанавливают на полую ось, зафиксированную в стойках головки цилиндров. Одна его сторона упирается в кулачек вала, а другая давит на торец стержня клапана. При работе двигателя клапаны нагреваются и удлиняются, что грозит им неполной посадкой в седло. Поэтому между клапаном и коромыслом обязательно соблюдают тепловой зазор.

Также кулачек может воздействовать на клапан через рычаг или непосредственно на его толкатель. Толкатели могут быть выполнены в механическом (жестком), роликовом варианте или в виде гидрокомпенсатора. Первый вид из-за шумности почти не используется, а последний отличается мягкостью и отсутствием необходимости осуществления регулировок. Роликовые толкатели используют в форсированных и спортивных двигателях.

3. Механизм привода распределительного вала. Осуществляется цепной, ременной или шестеренной передачей. Цепная отличается надежностью, до сложна в устройстве и дорога, ременная дешевле, но менее надежна, и в случае порыва ремня может повлечь за собой повреждение двигателя за счет удара клапанов о поршни.

4. Клапаны. Предназначены для открытия и закрытия впускного и выпускного канала. Состоят из стержня и головки, на которой имеется узкая, скошенная под углом фаска, плотно прилегающая к фаске седла, для чего их взаимно притирают. Головки впускных клапанов делают большими, чем выпускных. Но выпускные сильнее нагреваются, поэтому изготавливаются из жаропрочной стали и внутри наполнены натрием для лучшего охлаждения.

Цилиндрический стержень клапана сверху выточен для крепления пружины, не дающей ему оторваться от коромысла, которая упирается в шайбу на головке, и фиксируется упорной тарелкой. Стержень помещается в направляющую втулку, запрессованную в головку цилиндров, чтобы масло не попадало в камеру сгорания, на него надевают маслоотражающий колпачок.

Фазы газораспределения

Фазами газораспределения принято считать начало открытия и момент закрытия клапана, выраженный в градусах угла поворота коленвала относительно мертвых точек. Лучшая очистка цилиндра от выхлопных газов достигается при открытии выпускного клапана до наступления нижней мертвой точки (НМТ), и закрытии после ВМТ. Наполнение цилиндров воздухом или горючей смесью происходит при открытии впускного клапана до прохождения им ВМТ, и закрытии после НМТ. Период одновременного открытия обоих клапанов называется их перекрытием.

Фазы подбираются на заводе-изготовителе двигателя экспериментальным путем, и зависят от его конструкции и быстроходности. При этом колебание газов используется таким образом, что перед закрытием впускного клапана перед ним находится волна давления, а перед закрытием выпускного – волна разрежения. Такой подбор фаз обеспечивает одновременное улучшение заполнения цилиндров воздухом или смесью, а также их очистку от выхлопных газов.

Установка механизма газораспределения осуществляется при помощи меток на шестернях. Отклонение от нормы на пару зубов или звездочек может привести к удару клапана о поршень и поломке двигателя. Постоянство фаз сохраняется при наличии теплового зазора в клапанном механизме, нарушения которого вызывают уменьшение или увеличение продолжительности открытия.

Для каждого двигателя завод-изготовитель указывает фазы газораспределения в виде диаграммы, где показаны моменты открытия, закрытия, и перекрытия клапанов.

Возможные неисправности ГРМ

Судить о неисправности газораспределительной системы можно по следующим внешним признакам:

1. Уменьшение компрессии, хлопки в трубопроводах. Происходит по причине неплотного прилегания клапанов к седлам из-за образовавшегося нагара, раковин на рабочей поверхности, при деформации головок клапанов, прогорании клапана, поломке пружин, заедании стержня во втулке или отсутствием зазора между клапаном и коромыслом.
2. Падение мощности и резкие металлические стуки происходят из-за неполного открытия клапанов. Причиной неполадки выступает большой тепловой зазор или отказ гидрокомпенсатора.
3. Износ шестерни распредвала, втулок и осей коромысел, направляющих втулок клапанов, заметное осевое смещение распределительного вала.
4. Выход из строя цепи, зубчатого ремня, а также успокоителя для цепи, и натяжителя для зубчатого ремня.

Регулировка клапанов двигателей

У водителей со стажем систематическая регулировка клапанов входит в привычку — настолько сильно сказывается эта процедура на эффективность работы двигателя. Именно клапаны мотора играют ведущую роль:

• в четкой регуляции подачи воздушно-топливной смеси;
• в своевременной и полной эвакуации из цилиндров отработанных газов.

Малейший диссонанс в указанных процессах со всей неизбежностью влечет сбои в работе узловых систем транспорта и их дорогостоящий ремонт. Кроме очевидной потери мощности, увеличения расхода топлива и токсичности выхлопных газов автолюбитель может столкнуться с полной утратой функциональности двигателя!

Вот почему своевременная и грамотная проверка состояния работоспособности клапанов — главный способ избежать их кардинального разрушения, влекущего неустранимый износ двигателя и его систем.

Принципы функционирования

Чтобы понять, зачем нужна регулировка клапанов двигателя, придется неглубоко вникнуть в работу клапанов двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Первое, о чем нужно знать — клапанов в моторе всегда два типа:

• впускной;
• выпускной.

Второе: стандартный, полный рабочий цикл двигателя состоит из 4 последовательных движений:

1. Впуск воздушно-топливной смеси в цилиндр;
2. Сжатие смеси и ее воспламенение;
3. Рабочий ход, выполняемый силой давления;
4. Выпуск отработанной смеси из цилиндров.

При этом в каждой отдельной фазе (такте) клапаны занимают строго определенное положение:

• на впуске (1 движение) открывается впускной клапан;
• на сжатии (2 движение) впускной и выпускной клапаны закрыты;
• рабочий ход (3 движение) аналогично производится при закрытых клапанах;
• на выходе (4 движение) выпускной клапан открывается.

Третье: работа клапанов возможна благодаря вращению распределительного вала: его модификация (главным образом, конструкции «кулачков») конструктивно определяет продолжительность и полноту фаз (их последовательность всегда одна и та же!) газораспределения в цилиндрах.

Как работает распределительный вал

Если сравнивать работу распредвала со скоростью автомата Калашникова, то скорость выстрелов последнего будет в 10 раз меньше. В минуту коленвал производит от 6 000 и более оборотов, при этом один рабочий цикл состоит из двух оборотов, обеспечивающих впуск воздушно-топливной смеси и ее выпуск.

Таким образом, частота открытия и закрытия каждого клапана (впускного и выпускного) за одну минуту составляет не менее 3000 раз. При этом частота так называемых «мертвых точек» клапанов (т.е. когда они занимают в цилиндрах свои крайние положения) составляет еще большее число раз — 6 000.

При любых манипуляциях с коленвалом, клапанами и цилиндрами необходимо учитывать даже сотые доли секунды работы двигателя, существенно влияющие на его эксплуатационные возможности и долговечность.

Цели изменения работы клапанов ДВС

Современный, спортивный или премиум класса, автомобиль уже оснащен двигателем, полностью соответствующем рекомендуемым производителем:

• скоростному режиму;
• нагрузкам;
• иным условиям эксплуатации авто.

В марках авто попроще, или «старичках», а также моделях, предназначенных для гонок эксплуатационные возможности двигателя в части изменения фаз газораспределения, модернизируются единственно возможным способом — сменой распредвала.

Негативные последствия продвинутого тюнинга

Усиление мощности авто за счет монтажа нового, с расширенными характеристиками, распределительного вала не только преображает фазы газораспределения, но пропорционально возросшей мощности снижает экономичность расходования топлива, и даже увеличивает скорость износа мотора!

Вот почему кардинальная смена распредвала — удел тех транспортных средств, для которых можно, ради скорости, поступиться экологичностью, экономичностью и продолжительностью эксплуатации.

Как работают клапаны

Чтобы понимать порядок регулировки клапанов, необходимо иметь общее представление об особенностях их работы. Здесь можно условно выделить три принципиальных момента.

Первое: на стержень клапана распредвал может воздействовать 2 способами:

• непосредственно;
• посредством коромысла.

Во втором случае опосредованное воздействие минимизирует перепад профиля при максимально возможном перемещении открываемого клапана.

Второе. Непосредственное воздействие на стержень из-за возникающих на него боковых нагрузок влечет ускорение износа стержня. Чтобы избежать разрушения стержня, его торец защищают т.н. стаканом, двигающемся в собственном направляющем гнезде. Принимая на себя почти на 100% воздействие боковой силы, стакан пролонгирует срок службы клапана.

Третье. Для улучшения эксплуатационных характеристик в конструкции часто используются регулировочные:

• шайбы (устанавливаются между кулачком распредвала и стаканом);
• винты (устанавливаются на коромысла, фиксируются контргайками).

Что такое зазоры и зачем они нужны

Современные модификации двигателей предусматривают наличие в их цилиндре более 2 клапанов, оснащенных зазорами с гидравлическими компенсаторами такая конструкция не требует вмешательства. Если же гидравлических компенсаторов клапанов нет, необходима их систематическая регулировка (каждое ТО!).

Дело в том, что полное закрытие клапана во время расширения газа логично ведет к тому, что стальной цилиндр не выдержит давления и разорвется! Причина фатального разрушения не только в мега Паскалях, воздействующих на стенку цилиндра, но и в его критическом разогреве, доходящем до 900 градусов Цельсия.

Для препятствия глухому закрытию цилиндра клапаном, толкатель и профиль кулачка распредвала разделяются небольшой щелью — зазором. Его размер обязательно соотносится с увеличением при нагреве длины стержня клапана и некоторыми другими показателями.

Последствия неправильного теплового зазора

Бывает, что в особо холодный день при работе непрогретого мотора появляются посторонние шумы: негромкое пощелкивание металла. В норме звук постепенно прекращается по мере прогревания двигателя.

Если пощелкивание продолжается и в таком состоянии, это сигнал того, что тепловой зазор одного или сразу всех клапанов слишком велик. Такой дефект чреват не только неприятным звуком! Клапаны вынужденно находятся слишком короткое время открытыми, что приводит:

• к перебоям в работе двигателя;
• к снижению КПД;
• к проблемам с запуском двигателя.

В худшем случае детонационное сгорание может разрушить мотор.

Зазор, меньший, чем необходимо, — еще большое «зло» для двигателя! Разогрев цилиндра до рабочей температуры (600-900 градусов Цельсия!) расширяет металл, сводя на нет слишком небольшой зазор.

Как следствие, падает КПД, повышается потребление топлива, и на клапанах/седлах начинают сгорать конические фаски.

Регулировка клапанов

Грамотная регулировка зазоров клапанов — процесс, требующий мастерства, специфических инструментов (щуп, пинцет и т.д.) и полного остывания мотора. Величины зазоров впускного и выпускного клапанов, угол поворота коленчатого вала и другие конструктивные особенности мотора, а также последовательность его сборки/разборки определяются в соответствии с руководством к конкретной марке авто.

Отрегулированные зазоры проверяются дважды, с допустимыми отклонениями, не превышающими 0,05 мм.

Преимущества профессиональной услуги

Двигатель — ключевой динамический узел автомобиля, сигнализирующий о поломках ухудшением либо полным прекращением функционирования. Зачастую, в стремлении сэкономить время и деньги, автолюбитель не спешит обращаться в СТО за диагностикой и пытается самостоятельно, наобум, справиться с возникающими неисправностями:

• падение мощности;
• «троение» двигателя;
• хлопки и т.д.

Понять без специального оборудования источник проблем и что именно нужно — регулировка клапанов своими руками или замена свечей зажигания — очень сложно! При этом самостоятельное вмешательство в узловой элемент авто может только ухудшить положение дел.

К тому же, даже у знающего у автолюбителя может не оказаться нужных инструментов, а «подручные» средства не всегда удобны и допустимы.

Зачем испытывать свой двигатель на прочность и экспериментировать с его самостоятельным ремонтом? Эта процедура может быть гораздо более оперативной и безопасной для «сердца» авто, если диагностику и регулировку клапанов доверять профессионалам нашего сервиса!

Инновационное оборудование и квалифицированные мастера сервиса «Дизель-Мастер» не упустят ни одной детали ни в диагностике, ни в ремонте, гарантируя на 100% положительный результат.

Не дожидайтесь планового ТО, попробуйте, насколько неожиданно эффективным могут быть профессиональные услуги в «Дизель-Мастер», сберегающие нервы, время и деньги автовладельца!