Автомобильный клапан: Клапаны, устройство и назначение клапана

Содержание

Клапаны, устройство и назначение клапана

Кла́пан — это устройство, предназначенное для открытия, закрытия, а также регулирования потока горючей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя и выпуска отработавших газов.

Для нормальной работы четырехтактного двигателя требуется, как минимум, по два клапана на каждый цилиндр — впускной клапан и выпускной клапан. В данный момент широкое распространение получили клапаны тарельчатого типа со стержнем. Для качественного наполнения цилиндра горючей смесью диаметр тарелки впускного клапана делается немного больше, чем у выпускного.

Из чего изготавливают клапана

Седла клапанов изготавливаются из чугуна или стали, затем запрессовываются в головку блока цилиндров. Клапаны во время работы двигателя подвержены значительным механическим и тепловым нагрузкам, поэтому необходимо подбирать специальный сплав для изготовления детали.

Клапана для высокофорсированных двигателей должны хорошо охлаждаться, поэтому в них применяют клапаны с полым стержнем, с наполнением натрия внутри. При достижении рабочей температуры натрий плавится и начинает перетекать от тарелки клапана, к стержню равномерно распределяя тепло. Для равномерности теплопередачи и уменьшения нагара на фасках клапана применяют механизмы вращения клапана.

Виды ГРМ

Существуют следующие виды газораспределительных механизмов: нижнеклапанный ГРМ и верхнеклапанный ГРМ. Сегодня, на современных автомобилях, используются только верхнеклапанные ГРМ, когда клапаны располагаются в головке цилиндров.

Клапан удерживается в закрытом состоянии с помощью клапанной пружины, а открывается при нажатии на стержень клапана. Клапанные пружины должны иметь определенную жесткость (оптимальную, чтобы не увеличивать ударную нагрузку на седло клапана) для гарантированного закрытия клапана во время работы.

Чтобы снизить потери на трение в ГРМ применяют ролики, которые установлены на рычагах и толкателях привода клапанов. Применение роликов в клапанном механизме заменяет трение скольжения, на трение качение, что значительно уменьшает потери на привод клапанов.

При открытии впускного клапана проходит топливно-воздушная смесь (или воздух) наполняя цилиндр двигателя. Чем больше площадь проходного сечения, тем полнее заполнится цилиндр, что приводит к повышению выходных показателей цилиндра при рабочем ходе. Для улучшения очистки цилиндров от продуктов сгорания увеличивают диаметр тарелки выпускного клапана. Правда, размеры тарелок клапанов ограничены размером камеры сгорания, выполненной в головке цилиндров. Многое также зависит от регулировки клапанов.

Применение четырех клапанов на цилиндр началось еще в 1912 г. на двигателе автомобиля PeugeotGranPrix. Широкое использование такой схемы в серийном производстве легковых автомобилях началось только в конце 1970-х гг. Сегодня ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр стали практически стандартными для двигателей европейских и японских легковых автомобилей.

Mercedes выпускает двигатели, которые имеют по три клапана на цилиндр, два впускных и один выпускной, с двумя свечами зажигания (по одной с каждой стороны от выпускного клапана).

Существует практика использования даже 5 клапанов на цилиндр (3 впускных и 2 выпускных). Такой технологией практикует автомобильная группа Volksvagen-Audi, но при этом значительно усложняется привод клапанного механизма.

Клапаны двигателя: конструктивные особенности и назначение

Клапанный механизм – это основной исполнительный компонент ГРМ (газораспределительный механизм) современного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Именно этот узел отвечает за безупречно точную работу мотора и обеспечивает в процессе работы:

своевременную подачу подготовленной топливовоздушной смеси в камеры сгорания цилиндров;
последующий отвод выхлопных газов.

Клапаны – ключевые детали механизма, которые должны гарантировать полную герметизацию камеры сгорания при воспламенении в ней топлива. Во время работы мотора они испытывают постоянно высокую нагрузку. Вот почему к процессу их изготовления, а также особенностям конструкции, регулировкам и непосредственно самой работе клапанов ДВС предъявляются жесткие требования.

Общее устройство

Для нормальной работы двигателя в конструкции газораспределительного механизма предусмотрена установка двух типов клапанов: впускных и выпускных. Первые отвечают за пропуск в камеру сгорания топливовоздушной смеси, вторые – за отвод отработанных газов.

Клапанная группа (одновременно является оконечным элементом системы ГРМ) включает в себя основные детали:

стальная пружина;
устройство (механизм) для крепления возвратного механизма;
втулка, направляющая движение;
посадочное седло.

Эксперты MotorPage.Ru обращают внимание автовладельцев на тот факт, что именно сопряжение «седло-клапан» при работе мотора подвергается самой высокой степени воздействия экстремальных температур и разнонаправленным (вверх, вниз, в стороны) механическим нагрузкам.

Кроме того, из-за скоростной работы образуется недостаточное количество смазки. В результате – интенсивный износ и необходимость проведения ремонта двигателя, замены и установки новых деталей ГРМ с последующей регулировкой зазоров.

К каждой паре и группе клапанов предъявляются следующие требования:

минимально возможный вес;
антикоррозийная устойчивость;
безупречная теплоотдача клапана;
устойчивость к высоким температурам;
герметичность работы при контакте с седлом;
повышенная механическая прочность и жесткость одновременно;
отличный показатель стойкости к механическим и ударным нагрузкам;
максимальный уровень обтекаемости при поступлении рабочей смеси в камеру сгорания и выпуске отработанных газов.

Конструктивные особенности

Главное предназначение клапана – своевременное открывание и закрывание технологических отверстий в блоке цилиндров для выпуска отработанных газов и впуска очередной порции топливовоздушной смеси.

В процессе работы двигателя основание выпускного клапана нагревается до высоких температур. У бензиновых моторов этот параметр достигает 800 — 900°С, у дизельных силовых агрегатов – 500 — 700°С. Впускные работают при температуре порядка 300°С.

Чтобы обеспечить необходимый уровень устойчивости к таким нагрузкам, для изготовления выпускных клапанов используют специальные жаропрочные сплавы и материалы, содержащие большое количество легирующих присадок.

Конструктивно деталь состоит из двух частей:

головка, изготавливаемая из материала, устойчивого к экстремальным нагревам;
стержень из высококачественной легированной углеродистой стали.

Для защиты от коррозии поверхность выпускных клапанов в местах контакта с цилиндром покрывается специальным сплавом толщиной 1,5 – 2,5 мм.

К впускным клапанам требования не столь жесткие, поскольку в процессе работы двигателя они охлаждаются свежей топливовоздушной смесью. Для изготовления стержней используются низколегированные марки сплавов с повышенными параметрами прочности, а тарелки делают из жаропрочных сталей.

Требования к изготовлению пружин и втулок

Пружины. В системе ГРМ эта деталь работает в условиях экстремально высоких температурных и механических нагрузок. Задача – обеспечить плотный и надежный контакт между клапаном и седлом в момент их стыковки.

Нередко в процессе работы пружины ломаются, испытывая повышенные нагрузки, зачастую это происходит по причине вхождения ее в резонанс. Как отмечают эксперты Моторпейдж, риск подобных неисправностей гораздо ниже при использовании пружин с переменным шагом витков. Также достаточно эффективны конические или двойные (усиленные) модели.

Пружины для клапанов изготавливают из специальной легированной стальной проволоки. Ее закаляют и подвергают отпуску (технологические операции, используемые в металлургическом производстве). Защиту от коррозии обеспечивает дополнительная обработка оксидом цинка или кадмия.

Втулки. Обеспечивают отвод излишков тепловой энергии от стержня клапана, а также его перемещение в заданной (возвратно-поступательной) плоскости. Эти направляющие элементы системы постоянно омываются раскаленными парами и отработанными выхлопными газами. Функционируют также в условиях экстремальных температур.

Потому к материалу изготовления втулок тоже предъявляются высокие требования – хорошая износоустойчивость, стойкость к максимально допустимым температурам и трению. Данным запросам соответствуют некоторые виды чугуна, алюминиевая бронза, высокопрочная керамика. Именно эти материалы и используются для производства втулок.

двигатель
устройство автомобиля

Клапаны в двигателе — как они работают

Из нашего безумно подробного руководства:

Газы поступают в камеру сгорания и выходят из нее через каналы в головке блока цилиндров, называемые
портов
. Этот поток газов контролируется клапанами. Есть два набора клапанов — один набор для управления впуском и один набор для выпуска. Клапаны должны создавать минимальное препятствие для потока газов, когда они открыты, и создавать газонепроницаемое уплотнение, когда они закрыты.

На такте впуска
впускной клапан
будет открыт и может попасть смесь воздуха и топлива. После этого клапан закроется, чтобы смесь можно было сжать и сжечь.
выпускной клапан
открывается на такте выпуска, так что сгоревшая смесь может быть вытеснена движением поршня вверх.

Клапаны управляются распределительным валом, который в нужный момент толкает каждый клапан в открытое положение либо напрямую, либо через рычажный механизм. Клапаны должны быть синхронизированы с поршнем, чтобы они открывались и закрывались в нужный момент хода поршня. А
ремень ГРМ (cambelt по-британски)
или же
цепь ГРМ
проходит между коленчатым валом и распределительным валом, связывая их вместе, сохраняя их синхронизированными.

Клапан в сборе

Первые двигатели экспериментировали со всеми видами клапанов, но на протяжении ста лет или около того во всех автомобильных двигателях использовалась одна и та же конструкция: тарельчатый клапан.

Каждый клапан находится в круглом отверстии в крыше камеры сгорания. В закрытом состоянии между клапаном и поверхностью, к которой он прижимается, будет плотное уплотнение, известное как
седло клапана
. Клапан остается закрытым за счет
пружина клапана
который давит на диск, прикрепленный к штоку клапана, называемый
фиксатор
.

Давление, вытесняющее выхлопные газы, сильнее, чем вакуум, втягивающий воздух и топливо. Легче выдувать газы давлением, чем всасывать их вакуумом. Вы можете попробовать это сами, дыша через соломинку для питья, наполнение легких занимает больше времени, чем их опорожнение. Это означает, что выхлопные газы движутся легче, поэтому впускные клапаны больше (или их больше), чем впускные клапаны, чтобы обеспечить большую площадь для впускного потока.

Клапан

Сам клапан состоит из круглой головки, соединенной с длинным штоком. Шток проходит в направляющей клапана и гарантирует, что клапан может двигаться только вверх и вниз, а не качаться из стороны в сторону.

Клапан состоит из двух частей, которые затем свариваются между собой. Головка обычно изготавливается из нержавеющей стали, а шток из высокоуглеродистой стали. Клапаны в основном изготавливаются из закаленной стали или из более экзотических материалов, таких как титан в высокопроизводительных двигателях.

Когда клапан закрыт, он соприкасается с поверхностью по периметру порта клапана. Эта поверхность, на которой сидит клапан, называется
седло клапана
. Седло должно быть гладким, так как оно обеспечивает уплотняющую поверхность, а максимальный контакт между клапаном и седлом гарантирует, что головка блока цилиндров сможет поглощать тепло от клапана. С чугунной головкой седло клапана будет врезано непосредственно в головку, тогда как для более мягких алюминиевых головок, которые не могут противостоять коррозии выхлопных газов, седло клапана будет сделано из более прочного металла и запрессовано в головку.

Впускной и выпускной клапаны нагреваются во время работы. Это тепло должно рассеиваться, и это тепло в основном передается через поверхность клапана, через седло клапана и в головку цилиндров, где оно уносится протекающей охлаждающей жидкостью. Тепло также проходит вверх по штоку и через направляющие клапана в головку. Стержни некоторых высокопроизводительных клапанов заполнены натрием, который плавится и разбрызгивается внутри штока для улучшения теплопередачи.

[Схема теплового потока в клапанах]

Выпускные клапаны служат дольше, чем впускные, они подвергаются более высоким температурам, поскольку горячие выхлопные газы обтекают их и позади них. Они проводят свой срок службы в тесном контакте с горячими коррозионно-активными выхлопными газами, поэтому изготавливаются из особо прочных, термостойких и коррозионностойких материалов.

Направляющие клапанов

Клапаны проходят через отверстие в порту, это отверстие будет облицовано прецизионной фрезерованной трубой, называемой
направляющая клапана
. Направляющая клапана очень плотно прилегает к штоку клапана, чтобы предотвратить любое движение из стороны в сторону или качание. Плотная посадка означает, что торец клапана идеально выровнен с седлом клапана.

Этот малый зазор предотвращает утечку масла в отверстие, а также помогает предотвратить попадание сжатых газов через шток клапана в головку блока цилиндров.

Направляющие клапанов дополнительно уплотнены
уплотнение штока клапана
, который в основном представляет собой уплотнительное кольцо, которое уплотняет шток клапана, предотвращая попадание избыточного масла и газов через направляющую клапана в порт. Небольшое количество масла желательно в направляющей клапана для предотвращения износа и обеспечения плавного хода.

Пружина клапана

Каждый клапан удерживается в закрытом состоянии
пружина клапана
. Пружина удерживает клапан в закрытом состоянии, а также удерживает узел клапана в контакте с распределительным валом или коромыслом, когда клапан открыт. Чтобы открыть клапан, клапанный механизм должен нажимать, преодолевая натяжение пружины. Прочность пружины клапана имеет большое значение.

[Иллюстрация поплавка клапана]

Слишком сильный, и мы тратим энергию на открытие и закрытие клапанов, а также увеличиваем износ клапанного механизма. Но если пружина слишком слабая, она не сможет закрыть клапан достаточно быстро на высоких скоростях, клапан потеряет контакт с распределительным валом в состоянии, известном как
поплавковый клапан
чего мы всегда хотим избежать.

Пружина клапана располагается вокруг штока клапана и давит вверх на круглую пластину, называемую
Держатель клапана
который фиксируется вокруг штока клапана.

Фиксатор крепится к штоку с помощью двух
Держатели клапанов
(также известные как сухари клапана, цанги или замки). Стопоры клапанов имеют коническую форму и входят в канавки на штоке клапана, предотвращая скольжение фиксатора вверх по штоку.

Толкатели клапанов

Толкатель клапана
, также именуемый
толкатели клапанов
или же
толкатели
, представляют собой цилиндрические прокладки, которые располагаются между верхней частью штока клапана и кулачком кулачка или коромыслом. О них мы подробно поговорим в статье о распредвале.

распределительный вал

Функция клапанов очень тесно связана с функцией распределительного вала, и они действуют вместе, при этом распределительный вал управляет открытием и закрытием клапанов. Прочтите статью о распределительном валу, чтобы получить полное представление о клапанном механизме.

Неисправности клапана

Поврежденные клапаны могут привести к плохой компрессии и серьезным проблемам с двигателем. Результат отказа клапана в одном цилиндре будет находиться где-то по шкале между неработающим двигателем и плохой работой — в зависимости от количества цилиндров в двигателе.

Отказ клапана почти всегда приводит к потере компрессии в пораженных цилиндрах из-за отказа клапана закрыть камеру.

Прогоревшие клапаны

А
прогоревший клапан
происходит, когда часть поверхности клапана повреждена в результате перегрева или коррозии. Если клапан не садится идеально из-за того, что он погнут или из-за небольшой трещины, выхлопные газы могут просачиваться через небольшой участок клапана. Концентрация газов в этой области будет разъедать головку клапана, вызывая дальнейший износ. Прогоревший клапан вызовет плохое уплотнение вокруг клапана, что приведет к потере компрессии в цилиндре.

Погнутый клапан

Клапаны находятся в постоянном танце с поршнями, синхронизированными с помощью зубчатого ремня или цепи. Если ремень ГРМ порвется или перескочит, то мощный поршень может коснуться клапана и это вызовет
погнутый клапан
. Двигатель, в котором поршень и клапан могут перекрываться, называется интерференционной конструкцией.
интерференционная конструкция
. А
двигатель невмешательства
имеет зазор между поршнем и клапаном, даже когда клапан полностью открыт и поршень находится в верхней точке своего хода.

Если клапан погнут, он не сможет правильно сесть, что приведет к плохой компрессии. В зависимости от силы контакта между поршнем и клапаном возможно дальнейшее повреждение направляющей клапана.

Продолжить чтение:
распределительный вал

Все о клапанах двигателя

Изображение предоставлено Максимом Вивцаруком/Shutterstock.com

Клапаны двигателя представляют собой механические компоненты, используемые в двигателях внутреннего сгорания для обеспечения или ограничения потока жидкости или газа в камеры сгорания или цилиндры и из них во время работы двигателя. Функционально они аналогичны многим другим типам клапанов в том, что они блокируют или пропускают поток, однако они представляют собой чисто механическое устройство, которое взаимодействует с другими компонентами двигателя, такими как коромысла, чтобы открываться и закрываться в правильной последовательности и с правильное время.

Термин «клапан двигателя» может также относиться к типу обратного клапана, который используется для впрыска воздуха в составе систем контроля выбросов и рециркуляции отработавших газов в транспортных средствах. Этот тип клапана двигателя не будет рассматриваться в этой статье.

Клапаны двигателя являются общими для многих типов двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, дизельном топливе, керосине, природном газе (СПГ) или пропане (LP). Типы двигателей различаются по количеству цилиндров, которые являются камерами сгорания, которые генерируют энергию от воспламенения топлива. Они также различаются по типу работы (2-тактный или 4-тактный) и по конструктивному расположению клапанов в двигателе [верхний клапан (OHV), верхний кулачок (OHC) или клапан в блоке (VIB)]. .

В этой статье будет кратко описана работа клапанов двигателя в типичных двигателях внутреннего сгорания, а также представлена информация о типах клапанов, их конструкции и материалах. Дополнительную информацию о других типах клапанов можно найти в нашем соответствующем руководстве Общие сведения о клапанах .

Номенклатура клапанов двигателя

Большинство клапанов двигателей спроектированы как тарельчатые клапаны из-за их хлопкового движения вверх и вниз и имеют головку клапана с коническим профилем, которая прилегает к обработанному седлу клапана для герметизации прохода жидкостей или газов. Их также называют грибовидными клапанами из-за характерной формы головки клапана. На рис. 1 показана номенклатура различных элементов типичного клапана двигателя.

Рисунок 1. Номенклатура стандартного тарельчатого клапана двигателя.

Изображение предоставлено: https://dieselnet.com

Двумя основными элементами являются шток клапана и головка клапана. Головка содержит скругление, которое ведет к поверхности седла, обработанной под определенным углом, чтобы соответствовать обработке седла клапана, с которым оно будет совпадать. Прилегание поверхности клапана к седлу клапана обеспечивает герметичность клапана против давления сгорания.

Шток клапана соединяет клапан с механическими элементами двигателя, которые приводят клапан в действие, создавая усилие для перемещения штока против посадочного давления, создаваемого пружиной клапана. Удерживающая канавка используется для удерживания пружины на месте, а кончик штока клапана неоднократно контактирует с коромыслом, толкателем или подъемником, который приводит клапан в действие.

Работа двигателя

Четырехтактные или четырехтактные двигатели внутреннего сгорания используют два основных типа клапанов — впускной клапан и выпускной клапан. Впускные клапаны открываются, чтобы обеспечить подачу воздушно-топливной смеси в цилиндры двигателя перед сжатием и воспламенением, а выпускные клапаны открываются, чтобы обеспечить выпуск выхлопных газов из процесса сгорания после того, как произошло воспламенение.

При нормальной работе коленчатый вал в двигателе, к которому прикреплены поршни, связан с распределительным валом как часть узла клапанного механизма двигателя. Движение коленчатого вала передает движение распределительному валу через зубчатую цепь, зубчатый ремень или другой зубчатый механизм. Синхронизация и выравнивание между положением коленчатого вала (которое определяет положение поршня в цилиндре) и положением распределительного вала (которое определяет положение клапанов в цилиндре) имеют решающее значение не только для максимальной производительности двигателя, но и для предотвращения помех между поршнями и клапанами в двигателях с высокой степенью сжатия.

В цикле впуска поршень впускного цилиндра перемещается вниз при открытии впускного клапана. Движение поршня создает отрицательное давление, которое помогает втягивать воздушно-топливную смесь в цилиндр. Сразу после того, как поршень достигает нижнего положения в цилиндре (известного как нижняя мертвая точка), впускной клапан закрывается. В цикле сжатия впускной клапан закрывается, чтобы изолировать цилиндр, когда поршень поднимается в цилиндре в крайнее верхнее положение (известное как верхняя мертвая точка), при котором воздушно-топливная смесь сжимается до небольшого объема. Это действие сжатия служит для обеспечения более высокого давления на поршень при воспламенении топлива, а также для предварительного нагрева смеси, чтобы способствовать эффективному сгоранию топлива. В рабочем цикле воздушно-топливная смесь воспламеняется, что вызывает взрыв, заставляющий поршень опускаться в самое нижнее положение и передающий химическую энергию, высвобождаемую при сгорании воздушно-топливной смеси, во вращательное движение коленчатого вала. В цикле выпуска поршень снова поднимается вверх в цилиндре, в то время как впускной клапан остается закрытым, а выпускной клапан теперь открыт. Давление, создаваемое поршнем, помогает вытеснить выхлопные газы из цилиндра через выпускной клапан в выпускной коллектор. К выпускному коллектору подключена выхлопная система, набор труб, включающий глушитель для снижения акустического шума и систему каталитического нейтрализатора для управления выбросами при сгорании двигателя. Как только поршень достигает верхней части цилиндра в цикле выпуска, выпускной клапан начинает закрываться, а впускной клапан начинает открываться, начиная процесс заново. Обратите внимание, что давление в цилиндре на впуске помогает держать впускной клапан открытым, а высокое давление в цикле сжатия помогает держать оба клапана закрытыми.

В двигателях с несколькими цилиндрами одни и те же четыре цикла повторяются в каждом из цилиндров, но в такой последовательности, чтобы двигатель обеспечивал плавную мощность и сводил к минимуму шум и вибрацию. Последовательность движения поршня, движения клапана и зажигания достигается за счет точной механической конструкции и электрической синхронизации сигналов зажигания на свечи зажигания, воспламеняющие воздушно-топливную смесь.

Движение клапана двигателя

Движение клапанов двигателя приводится в действие распределительным валом двигателя, который содержит ряд выступов или кулачков, которые служат для создания линейного движения клапана от вращения распределительного вала. Количество кулачков на распределительном валу равно количеству клапанов в двигателе. Когда распределительный вал находится в головке блока цилиндров, двигатель называется конструкцией с верхним расположением распредвала (OHC); когда распределительный вал находится в блоке цилиндров, двигатель называется конструкцией с верхним расположением клапанов (OHV). Независимо от конструкции двигателя основное движение клапанов двигателя происходит за счет того, что кулачок взаимодействует с подъемником или толкателем, который создает силу, которая давит на шток клапана и сжимает пружину клапана, тем самым снимая напряжение пружины, которое удерживает клапан в закрытом положении. закрытое положение. Это движение штока клапана поднимает клапан с седла в головке блока цилиндров и открывает клапан. Как только распределительный вал вращается дальше, а кулачок перемещается так, что эксцентриковая часть больше не находится в прямом контакте с толкателем или толкателем, давление пружины закрывает клапан, когда шток клапана движется по центральному участку кулачка.

Поддержание надлежащего зазора клапана между штоком клапана и коромыслом или кулачком чрезвычайно важно для правильной работы клапанов. Некоторый минимальный зазор необходим для расширения металлических частей при повышении температуры двигателя во время работы. Конкретные значения зазоров варьируются от двигателя к двигателю, и несоблюдение надлежащего зазора может иметь серьезные последствия для работы и производительности двигателя. Если зазор клапанов слишком велик, то клапаны будут открываться позже, чем оптимально, и закрываться раньше, что может снизить производительность двигателя и увеличить его шум. Если зазор клапана слишком мал, клапаны не будут закрываться полностью, что может привести к потере компрессии. Гидравлические толкатели клапанов являются самокомпенсирующими и могут устранить необходимость в регулировке зазоров клапанов.

Современные двигатели внутреннего сгорания могут использовать различное количество клапанов на цилиндр в зависимости от конструкции и области применения. Двигатели меньшего размера, например, используемые в газонокосилках, могут иметь только один впускной клапан и один выпускной клапан. В двигателях более крупных транспортных средств, таких как 4-, 6- или 8-цилиндровые двигатели, может использоваться четыре клапана на цилиндр, а иногда и пять.

Материалы клапана двигателя

Клапаны двигателя являются одним из компонентов двигателей внутреннего сгорания, которые подвергаются высоким нагрузкам. Необходимость надежной работы двигателя диктует, чтобы клапаны двигателя были способны выдерживать многократное и продолжительное воздействие высокой температуры, высокого давления из камеры сгорания, механических нагрузок и напряжений от динамики двигателя.

Впускные клапаны двигателей внутреннего сгорания подвергаются меньшей термической нагрузке из-за охлаждающего эффекта поступающей воздушно-топливной смеси, которая проходит через клапан во время цикла впуска. Выпускные клапаны, напротив, подвергаются более высоким уровням термической нагрузки, находясь на пути выхлопных газов во время цикла выхлопа двигателя. Кроме того, тот факт, что выпускной клапан открыт во время цикла выпуска и не соприкасается с головкой блока цилиндров, означает, что меньшая тепловая масса поверхности сгорания и головки клапана имеет больший потенциал для быстрого изменения температуры.

Впускные клапаны

из-за их более низких рабочих температур обычно изготавливаются из таких материалов, как хром, никель или вольфрамовая сталь. В выпускных клапанах с более высокой температурой могут использоваться более жаропрочные металлы, такие как нихром, кремний-хром или кобальт-хромовые сплавы.

Поверхности клапанов, которые подвергаются воздействию более высоких температур, иногда делают более прочными за счет приваривания стеллита, который представляет собой сплав кобальта и хрома, к поверхности клапана.

Другие типы материалов, используемых для изготовления клапанов двигателя, включают нержавеющую сталь, титан и Tribaloy 9.сплавы 0207 ® .

Кроме того, покрытия и отделка поверхности могут применяться для улучшения механических свойств и характеристик износа клапанов двигателя. Примеры этого включают хромирование, фосфатирование, нитридное покрытие и вихревую отделку.

Типы клапанов двигателя

Помимо характеристики клапанов двигателя по функциям (впускные и выпускные), существует несколько конкретных типов клапанов двигателей, которые существуют в зависимости от конструкции и материалов. Основные типы клапанов двигателя включают:

Монометаллические клапаны двигателя
Биметаллические клапаны двигателя
Полые клапаны двигателя

Монометаллические клапаны двигателя, как следует из их названия, изготавливаются из одного материала, из которого состоят как шток клапана, так и головка клапана. Эти типы клапанов двигателей обеспечивают как высокую термостойкость, так и хорошие антифрикционные свойства.

Биметаллические клапаны двигателя, также известные как биметаллические клапаны двигателя, изготавливаются путем соединения двух различных материалов с использованием процесса сварки трением для создания клапана с аустенитной сталью на головке клапана и мартенситной сталью на штоке клапана. Свойства каждой из этих сталей служат оптимальной цели: аустенитная сталь на головке клапана обеспечивает жаропрочность и коррозионную стойкость, а мартенситная сталь на штоке клапана обеспечивает высокую прочность на растяжение и стойкость к абразивному износу.

Полые клапаны двигателя представляют собой специальный биметаллический клапан, содержащий полую полость, заполненную натрием. Натрий сжижается по мере повышения температуры клапана и циркулирует за счет движения клапана, что помогает рассеивать тепло от более горячей головки клапана. Полая конструкция способствует большей передаче тепла через шток, чем цельные клапаны, поскольку мартенситный материал штока является лучшим проводником тепла, чем аустенитный материал головки. Полые клапаны особенно подходят для использования в современных двигателях, которые развивают большую мощность за счет меньших по размеру и более плотных конструкций двигателей с более высокими температурами выхлопных газов, с которыми сплошные клапаны не справляются. Эти более высокие температуры выхлопных газов являются результатом нескольких условий, в том числе:

Стремление к процессу сжигания обедненной смеси, снижающему выбросы парниковых газов
Конструкции двигателей с более высокой степенью сжатия и более высоким давлением сгорания, обеспечивающие более высокий КПД
Конструкции со встроенным коллектором, которые поддерживают турбокомпрессоры, для повышения производительности двигателя по сравнению с двигателями меньшего размера

Существует несколько других типов конструкции клапана двигателя. Так называемые золотниковые клапаны состоят из трубки или втулки, которая находится между стенкой цилиндра и поршнем и которая скользит или вращается от распределительного вала, как и другие клапаны двигателя. Движение золотникового клапана приводит к тому, что отверстия, прорезанные во втулке, совмещаются с соответствующими отверстиями в стенке цилиндра в разные моменты цикла двигателя, таким образом функционируя как простой впускной и выпускной клапан двигателя без сложностей коромысла и подъемники.

Технические характеристики клапана двигателя

Типичные клапаны двигателя определяются параметрами, указанными ниже. Обратите внимание, что эти данные предназначены для информационных целей, и имейте в виду, что параметры, используемые для определения клапанов двигателя, могут отличаться от производителя к производителю. Понимая спецификации, покупатели лучше подготовлены к обсуждению своих конкретных потребностей с поставщиками клапанов для двигателей.

Диаметр штока – диаметр штока клапана двигателя
Длина штока – расстояние от кончика штока до головки клапана
Угол седла – угол среза седла головки клапана, измеренный в угловых градусах, типичные значения находятся в диапазоне 20 ^o – 60 ^o
Материалы клапана — описывает материал или материалы, используемые для изготовления клапана

Покрытия — обозначает любые покрытия или обработку поверхности, применяемые к основному материалу клапана, такие как хромирование, нитрид, PVD или керамика, например

Резюме

В этой статье представлен краткий обзор клапанов двигателя, в том числе, что они из себя представляют, ключевая номенклатура, как они работают, работа клапанов, материалы, типы и технические характеристики. Для получения информации по другим темам обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, где вы можете найти потенциальные источники поставок для более чем 70 000 различных категорий продуктов и услуг.

Уведомления об авторских правах и товарных знаках

Трибалой ^® является зарегистрированным товарным знаком Kennametal, Inc., Латроб, Пенсильвания.

Источники:

https://www.theengineerspost.com/engine-valves-types/
https://www.aopa.org/training-and-safety/air-safety-institute/valve-safety
https://www.