Из чего сделаны клапана двигателя

7

ПРАВИЛЬНЫЙ ВЫБОР КЛАПАНОВ

При выборе клапанов для форсированного двигателя наибольшее количество вопросов вызывает именно выбор материала. Производители предлагают широкий выбор материалов, удовлетворяющий требованиям практически любого двигателя. Некоторые производители имеют в своем ассортименте один-два типа материала, заявляя при этом о его универсальности и том, что он подходит ко всем моторам. Однако если взять в расчет условия, в которых приходится работать клапанам, становится понятным необоснованность таких заявлений, один тип материала ни в коем случае не может подойти ко всем без исключения двигателям. Основная разница между впускными и выпускными клапанами состоит в различных рабочих температурах. Выпускные клапаны находятся под постоянным воздействием крайне разрушительных газов, а температуры часто превышают рубеж 760°С. Впускные же клапаны постоянно охлаждаются потоками воздушно-топливной смеси и не разогреваются до таких температур. Специфические сплавы впускного клапана при своей не слишком высокой рабочей температуре могут оказаться прочнее нержавеющей стали выпускного клапана.

Значительная часть впускных клапанов изготовлена из сталистых сплавов, например, как сильхром 1, что обусловлено значительной прочностью таких сплавов в диапазоне рабочих температур, относительно невысокой стоимостью и тем фактом, что упор клапана может быть дополнительно закален для увеличения долговечности. Выпускные клапаны изготавливаются из нержавеющих сталей марок 21-2N или 21-4N, имеющих высокую термостойкость и устойчивость к окислению оксидами свинца.

Кованые клапаны из нержавеющей стали

В США эти высококачественные клапаны изготавливаются из очищенной стали 21-2N. Такие клапаны имеют цельную конструкцию и дополнительно закаленный упор. Хромирование штока и полировка поверхности — возможная дополнительная обработка.

Серия впускных клапанов "Super Duty", изготовленных из термически обработанной нержавеющей стали марки 422, разработана специально для работы в особо сложных условиях. Материал этих клапанов превосходит по качествам материалы так называемых "клапанов для тяжелых условий эксплуатации", широко представленных на рынке и имеет выдающуюся устойчивость к уставанию и растрескиванию. Выпускные клапаны премиум класса также изготовлены из высококачественного сплава 21-2N, однако в процессе производства подвергаются дополнительной термической обработке и некоторым другим операциям, существенно повышающим прочность изделия. Благодаря этому клапаны становятся способными выдерживать высокие температуры и работать на высоких оборотах.

Никелевый сплав инконель довольно редко используется в автомобильных двигателях. Он может быть необходимым в двигателях, работающих на особо высоких температурах, например, в турбированных двигателях. Титан — прочный, легкий, но вместе с тем дорогой материал, используемый преимущественно в автоспорте. Основное преимущество титана — существенное снижение веса клапана, что позволяет двигателю работать на более высоких скоростях и реализовать весь заложенный в него потенциал.

Конструкция головки клапана

Форма головки клапана и ее размеры имеют особое значение для мощности двигателя. А ключевым звеном является диаметр головки и угол седла. Клапаны, имеющие вогнутую со стороны камеры сгорания головку, — несколько легче обычных, но из-за увеличенного объема камеры сгорания имеет место некоторое падение компрессии. Диаметр головки клапана прямо пропорционально связан с интенсивностью прохождения потоков воздушно-топливной смеси и, следовательно, мощностью двигателя. То есть клапан должен иметь достаточный для свободного прохождения потоков смеси диаметр головки. Повысить мощность двигателя можно установив в головку блока клапаны с увеличенным диаметром головок. Такие клапаны, однако, имеют и недостаток — заметное снижение пиковой мощности и крутящего момента. Выбор диаметра клапана в итоге оказывается компромиссом между низкими оборотами и пиковой мощностью, определяющим же фактором при этом является предназначение двигателя. В обычных, нетурбированных двигателях, диаметр головки впускного клапана больше диаметра выпускного на 25%.

Угол седла клапана

Угол седла клапана обычно определяется производителем двигателя, хотя измерить его можно в любой мастерской. Даже если в распоряжении мастерской имеется гидростенд, лучше не испытывать судьбу и следовать рекомендациям производителя относительно угла седла, поскольку его значение имеет огромное значение. При обработке седла клапана необходимо уделять особое внимание точности. Для того, чтобы контактная поверхность седла соприкасалась с нужной точкой фаски клапана и имела требуемую ширину (1,15 — 1,5 мм), седло должно быть обработано под несколькими углами. Профессионально обработанные седла могут существенно повысить мощность двигателя. При измерении углов нужно быть внимательным, в некоторых двигателях, как, например, у двигателя Honda S2000, имеют место сужающиеся углы.

Обработка нижней части головки клапана — полировка

Форма нижней части головки клапана и качество ее обработки также влияет на прохождение потоков смеси через клапан. Нижняя поверхность головок высококачественных клапанов проходит специальную механическую обработку, повышающую прочность клапана и облегчающую прохождение потоков смеси. Полировка имеет несколько положительных сторон. Во-первых, благодаря удалению с поверхности всех неровностей первичной обработки облегчается прохождение потоков смеси, а во-вторых, в процессе полировки удаляются все возможные концентраторы напряжения.

Конструкция штока клапана — диаметр и выточка на штоке

Именно шток является опорой поверхностью, контактирующей с направляющей клапана. Упор же клапана должен обладать достаточным запасом прочности, способным выдерживать постоянные нагрузки, передаваемые на клапан качающимся рычагом. Диаметр штока зависит от того, какой вес и запас прочности ожидается от клапана. Некоторые клапаны премиум-класса имеют вырезку на штоке. Вырезка уменьшает диаметр в области ниже направляющей и ощутимо увеличивает проходимость смеси при низком подъеме головки клапана. При этом слегка снижается вес клапана. Существенно снизить вес клапана можно уменьшив диаметр его штока.

Покрытие клапана и его зазор

Хромирование штока клапана увеличивает его долговечность в условиях недостаточного смазывания. Это особенно актуально для сильно разогревающихся выпускных клапанов. В настоящее время покрытие имеют все более или менее качественные клапаны, что позволяет удовлетворить требованиям самых строгих масло сберегающих технологий. Зазор между штоком клапана и направляющей зависит от многих факторов: диаметра штока, предназначения двигателя, свойств материала направляющей и типа сальника клапана. Клапаны, имеющие недостаточный зазор могут привести к значительно большим повреждениям двигателя, чем клапаны с чрезмерным зазором. Наиболее распространенные значения зазора впускных клапанов — 0,04-0,06 мм, выпускных — 0,05-0,075 мм.

Конструкция замка клапанной пружины

Наиболее распространенная конструкция замка клапанной пружины — прямоугольной формы канавка. Компоненты такого замка представлены в широком ассортименте форм и типов материалов. Кроме этого свою эффективность доказали и многоканавочные замки, позволяющие клапану вращаться независимо от пружины и ее тарелки. Благодаря этому достигается равномерный износ и чистота контактных поверхностей фаски клапана и седла, а это в свою очередь увеличивает долговечность клапана. И хотя среднестатистический автомобиль великолепно работает с многоканавочной конструкцией замка тарелки пружины, для форсированных двигателей рекомендуется одноканавочная конструкция. Полукруглая форма канавки замка, не имеющая острых углов прямоугольной объективно нужна только в клапанах с очень маленьким диаметром штока, работающих на пределе прочности. Поломка клапана в области канавки замка — довольно нетипичное явление.

Конструкция упора клапана

Упор клапана должен обладать достаточным запасом прочности, чтобы противостоять постоянному давлению качающегося рычага. Нержавеющую сталь невозможно закалить до такого уровня, чтобы она выдерживала подобные нагрузки, поэтому упор необходимо либо наваривать, либо делать съемным. Сплавы не на основе нержавеющей стали хорошо поддаются закалке и не нуждаются в наварных упорах или других укрепленных элементах. Шток клапана с многоканавочной конструкцией замка должен быть закален в области канавок либо наварен, если материал головки — нержавеющая сталь.

Вес двигателя может быть фактором, ограничивающим обороты двигателя. Этот фактор обязательно нужно учитывать при его конструировании. При этом учитывая больший размер впускных клапанов им нужно уделять особое внимание. Вырезка на штоке клапана — незначительное снижение веса. Большого результата можно добиться уменьшив диаметр штока клапана. Титановые клапаны хотя и дорого стоят, но имеют существенно меньший вес, что благотворно сказывается на оборотах двигателя и долговечности пружин клапанного привода.

Зазор между поршнем и клапаном

Ни один клапан не выдержит удара о поршень. Основной причиной выхода из строя головок блока является именно такие удары. Рекомендуемый зазор между ними — 2,5 мм, хотя это значение и может показаться слишком большим. Безусловно. Меньший зазор обеспечит лучшие результаты, но при этом придется жертвовать надежностью двигателя.

Материалы для производства клапанов

Материалы для производства клапанов должны удовлетворять всем требованиям двигателя. Термин "нержавеющая сталь" обычно применяется по отношению ко сплавам стали, содержащим как минимум 10% хрома. Как будет показано ниже, сплав сильхром 1 приближается к этому уровню при том что стоимость его остается на уровне дешевых высокоуглеродистых сплавов.

Sil XB, 422, 21-2N и 21-4N: сплавы нержавеющей стали.

1541: высокоуглеродистая сталь с добавками марганца, повышающими коррозионную устойчивость. 8440: стальной сплав, пригодный для производства работающих под повышенными нагрузками клапанов. Для повышения термостойкости в сплав добавлен хром.

Sil1: стальной сплав с 8,5% содержанием хрома, пригодный для производства работающих с повышенными нагрузками клапанов. Используется для изготовления высококачественных впускных клапанов.

Sil XB: ферритный сплав, содержащий 20% хрома и 1,3% никеля. Используется для производства впускных клапанов. Работающих под высокими нагрузками.

422: сплав нержавеющей стали, используемый для изготовления высококачественных впускных клапанов. Сплав разработан специально для впукных клапанов, диапазон рабочих температур его не подходит для изготовления выпускных клапанов. Клапаны из этого сплава часто имеют обозначение "для жестких условий".

Ti-6: титан — легкий неферритный материал, применяемый для изготовления клапанов, работающих в высокооборотистых спортивных двигателях. Он на 40% легче стали и сохраняет прочность при высоких температурах. Обычно из титана изготавливаются впускные клапаны большого диаметра, хотя можно встретить и выпускные клапаны из этого материала.

21-2N: аустенитный стальной сплав, содержащий 21% хрома и 2% никеля. Наиболее популярный материал для изготовления выпускных клапанов, сохраняет свойства при существенных повышениях температуры. Благодаря дополнительной обработке характеристики клапана из такого материала можно приблизить к оптимальным. В итоге получается недорогой и очень качественный клапан.

21-4N: аустенитный стальной сплав похожий по качествам на 21-2N, но с более высоким содержанием никеля (4%). Используется как альтернатива сплаву 21-2N.

PS посоветуйте, как быть, стоковые клапана колбеншмидта 331033 и EA v94148
полировать или нет ?

старый впускной клапан с нагаром из-за убитых колпачков маслосъемных и новый для сравнения выпускные клапана втулки клапана

вопрос родился из-за того что на впускных клапанах кокс не облазит даже абразивом … из-за шероховатости поверхности. поэтому решил заменить клапана что бы не мучатся и сейчас делема. может их отполировать что бы кокс к ним не прилипал ?

Материалы для изготовления клапанов механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания

К клапанам механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания предъявляются повышенные требования, поэтому для их изготовления применяется комбинирование различных материалов, а также использование специальных наплавок и покрытий. Особое внимание уделяют разработке клапанных сталей и сплавов, которые функционируют при температуре более 580 градусов Цельсия. К примеру, впускные клапаны дизельного двигателя КамАЗ изготавливаются из стали 40Х10СМ2 мартенистого класса. Работающие при более высокой температуре выпускные клапаны изготавливаются из стали ЭП-303М (5Х20Н4А19М) аустенитного класса. Рабочая фаска данных клапанов выполняется путём наплавки сплавом ВЗК типа «Стелит», который содержит до 60% кобальта.

С целью замены дефицитных добавок внедрены сплавы на никелевой основе, которые не содержат кобальта (ЭП-649, ЭП-616, ЭП-615). К недостаткам данных сплавов можно отнести снижение твёрдости при температуре 1300 градусов Цельсия, в сравнение со сплавом ВЗК.

Впускные клапаны дизельных двигателей (СМД-60, Д-240, Д-65Н, Д-144, А-41) изготавливаются из стали 40Х10СТМ, а выпускные клапаны двигателей (Д-144, СМД-60, А-41) – из стали ЭП-616, а двигателей (СМД-14, Д-240, Д-65Н) – из стали 40Х10СМ2.

Особые требования предъявляют к материалу изготовления выпускных клапанов карбюраторного двигателя, формированного по скоростному режиму, который подвержен максимальным термическим и механическим нагрузкам. Для клапанов данных двигателей применяется жаропрочная сталь ЭП970, которая не отличается от стали ЭП303.

клапана для двигателя. Подскажите пожалуйста из какого металла сделан клапан для двигателя машины ( porsche )

Материалы используемые для производства выпускных клапанов.

Для клапанов используется всегда жаростойкая (чаще всего хромистая) сталь, содержащая 8-15% Сг, 2-3% Si, 0,45% С. Например: 4Х10С2М (ЭИ107) Клапаны двигателей, крепежные детали, работающие при 600-650°С. 3Х13Н7С2 (ЭИ72,)- Клапаны впуска авиадвигателей и выпуска автомобильных, тракторных двигателей.

5Х20Н4АГ9 (ЭП3О3) Клапаны выпуска автомобильных двигателей. В авиационных поршневых двигателях, как в отечественной, так и зарубежной практике для выпускных клапанов используют хромоникельвольфрамомолибденовую сталь марки 4Х14Н14В2М (ЭИ69).

Клапаны двигателя

Двигатель

Важная часть рабочей системы современного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) — клапанный механизм, который является частью газораспределительного механизма (ГРМ). Его конструктивная задача – обеспечивать обмен газами между цилиндрами двигателя и системами, быть ответственным за приготовление рабочей смеси. О том, как устроена система на современных моторах, какую роль в ней играют клапаны двигателя, о её особенностях, типах и деталях ремонта, и пойдет речь в данной статье.

Клапан двигателя — это

Клапаны двигателя предназначены для непосредственного управления подачей рабочего тела в двигатель и из него (рабочим телом называют смесь, расширяющуюся при увеличении температуры, общий термин термодинамики). Простыми словами, клапаны ответственны за то, чтобы вовремя впускать в цилиндры рабочую смесь, а также вовремя очищать камеру сгорания, то есть выводит выхлопные газы.

Самый распространённый тип рабочего клапана в ДВС – тарельчатый, но есть и другие. Основные составные части такого устройства – стержень и головка («нижняя тарелка»). Чем плавнее переход от головки к стержню, тем более эффективным будет очищение камеры сгорания.

Клапанный механизм ДВС

Важнейшей механической частью газораспределительной системы (ГРМ) является клапанный механизм. Его задачами являются:

• Обеспечение своевременного ввода рабочей смеси, состоящей из воздуха и горючего топлива, в камеру сгорания для последующего её использования в цикле.
• Вывод отработавших, то есть выхлопных, газов для последующего их отведения.

Тарельчатые клапаны в такой конструкции играют важнейшую роль, ведь именно они обеспечивают герметичность камеры сгорания. Нарушения их работы относятся к числу тех неисправностей, с которыми автомобиль эксплуатировать нельзя.

Назначение и особенности устройства

Любой клапан состоит из двух основных частей – стержня и головки. Головка – это именно та часть, которая закрывает выпускное или впускное отверстие. Стержень плавно переходит в головку, через него передаётся энергия от распределительного вала, за счёт которого и происходит работа всего газораспределительного механизма.

При этом существуют следующие типы клапанов по назначению:

• Впускные, то есть через которые рабочая смесь вводится в камеру сгорания.
• Выпускные, то есть через которые выводятся отработанные газы.

Назначение клапана – обеспечение герметичности, потому они выдерживают сильные перегрузки.

Особой прочностью обладают выпускные клапаны, поскольку нагретые выхлопные газы при выходе по выпускному коллектору оказывают сильнейшее избыточное давление при высокой температуре (она может достигать 700 градусов в дизельных двигателях и 900 – в бензиновых).

ГБЦ с 2 и 3 клапанами на 1 цилиндр

К прочности выпускных клапанов предъявляются особые требования. Головку изготавливают из жаропрочного металла, стержень – из высокоуглеродистой стали. Также места прямого контакта с цилиндром дополнительно покрывают жаростойким сплавом толщиной до 2,5 миллиметров для препятствования образованию коррозии от постоянного контакта с пламенем.

Впускные клапаны не испытывают таких больших температурных перепадов, так как топливо, поступающее в цилиндры двигаете, отводит часть температуры. Потому для изготовления таких устройств допускается использовать стали с низким содержанием углерода, например, хромовые или никелевые.

Форма и фаска

Форма головки клапана обычно плоская, однако она не самая эффективная с динамической точки зрения. Её преимущество – в дешевизне производства, простоте выпуска. Однако на моторах, «заточенных» под извлечение максимальной мощности (гоночных, форсированных) «тарелки» впускных клапанов обычно выпуклой формы.

Головка клапана стыкуется с головкой цилиндра на фаске – специальном ободке ГБЦ толщиной не менее 0,8 мм. Если фаска делается в заводских условиях, то притирать ее не нужно. А при гаражном ремонте, клапан должны притираться. Важно, чтобы не было никаких «пробелов» по всему её диаметру. Некачественная фаска, то есть, фактически, нарушение герметичности при рабочем цикле, ведёт к потере мощности, задымлениям и прочим неприятным последствиям для двигателя и автомобиля.

Конструкция клапанного механизма ДВС

Клапан является лишь составной деталью клапанной группы. Для нормальной работы двигателя необходимо как минимум два клапана – впускной и выпускной. Однако на большинстве двигателей внутреннего сгорания их больше.

Сам клапанный узел состоит при этом из следующих основных деталей.

• Впускного или выпускного клапанов. Первый больше второго в диаметре. Делают это с целью эффективного введения смеси в рабочее пространство двигателя.
• Втулок. Цилиндрические изделия, в которых перемещаются клапана. Их задача – обеспечить нормальное ровное перемещение в вертикальной плоскости.
• Пружин. Их задача – возвратить клапан в изначальное положение.
• Сёдел. Это стык между нижней тарелкой и головкой бока цилиндров, непосредственно к клапанному механизму не относится.
• Сухарей, то есть крепления стержня клапана, верхней тарелки.
• Толкателей, передающих движение от кулаков распределительного вала. Он толкает клапан, а пружина потом возвращает его в исходное положение.
• Масло отражательных колец, препятствующих попаданию масла в цилиндры.
• Верхних тарелок, служащих защитным устройством.

Передача энергии на клапан производится через кулачки от вращающегося распределительного вала двигателя.

Пружины

Пружина – это деталь клапанного механизма, работающая при больших нагрузках. Её задача – обеспечить надёжное прилегание клапана к фаске головки блока цилиндров. При этом пружина ломается чаще, чем другие составные части механизма, так как её витки могут войти в состояние резонанса. Для предотвращения возникновения явления, производители прибегают к ухищрениям:

• Вставляют внутрь пружины ещё одну пружину обратного витка.
• Делают витки неравномерными по ширине.
• Изготавливают пружину конической формы.

Производится изделие из закалённой стали, из крепкой проволоки. Для исключения воздействия коррозии снаружи обрабатывается кадмием или оксидом цинка. Концы изделия обычно шлифуются в плоскость с тарелками, чтобы упростить их крепление.

Направляющие втулки

Втулки обеспечивают скольжение клапана в вертикальной плоскости. При возвратном его движении между стержнем и втулкой возникает трение, которое при недостаточной смазке идет «всухую». Кроме того, стенки втулок, как и другие детали механизма, подвергаются воздействию больших температур, потому для их производства также используются жаростойкие материалы. Обычно это керамика, алюминиевая бронза и чугун.

Втулки впускных клапанов делаются зауженными книзу, чтобы клапаны не заклинило. Зазоры же между стержнем и стенками делаются меньше, чем на выпускных клапанах.

Седла клапанов

Клапаны должны герметично закрывать рабочее пространство двигателя, в значительной степени это зависит от качества изготовления седла. Оно устанавливается непосредственно на головке блока цилиндра методами развальцовки и запрессовки. На алюминиевых головках оно обычно вставное, на чугунных – литое, встроенное.

Гидрокомпенасаторы

Детали, нивелирующие тепловой зазор, подробнее о нем далее. Эти элементы клапанной системы устанавливаются не во все моторы. Вообще механизм газораспределения и клапанный, как его часть, хорошо работает и без гидриков. Но с ними работает отлично. Преимущества мотора с гидрокомпенасотрами:

• более тихая работа
• отсутствие необходимости сложной регулировки
• больший ресурс клапанного механизма.

Но отрицательные стороны у наличия гидрокомпенсаторов тоже есть: более сложная конструкция – увеличение вероятности поломки, чуть более высокие требования к смазке.

Количество клапанов на цилиндр

Нельзя однозначно ответить на вопрос, сколько клапанов должно быть в двигателе внутреннего сгорания – всё зависит от конкретной модели.

ГБЦ с 4 и 5 клапанами на цилиндр

В четырёхтактных двигателях на каждый цилиндр должно приходиться минимум два – впускной и выпускной клапан. Однако на практике распространены и другие варианты:

Большее количество клапанов позволяет сделать характеристики двигателе более внушительными по мощности, коэффициенту полезного действия (КПД), экологичности, однако конструкция при этом усложняется, что ведёт к увеличению вероятности поломки.

Работа клапанного механизма

Работа клапанного механизма обеспечивается приводом ГРМ и распредвалом. Конструкция, обеспечивающая взаимодействие, бывает разной, однако суть остаётся неизменной – вращаясь, распределительный вал попеременно открывает впускные и выпускные клапаны двигателя, обеспечивая приток смеси в камеру сгорания или выход из неё отработанных газов.

ГРМ 1 и 2 распредвалами

Распределительный вал может быть как один, так и два. На V-образных моторах устанавливаются сразу 4 вала, по 2 в каждой головке. Сам вал соединён приводом с коленчатым валом двигателя, зубчатым, цепным иди другим способом. Скорость вращения распредвала всегда составляет половину от скорости вращения коленчатого – таким образом достигается необходимая согласованность в четырёхтактном двигателе.

Почему клапаны стучат

Основной признак неисправности клапанного манизма – появление характерного постукивания (цокотания) со стороны двигателя. Часто он возникает, когда мотор «холодный» и пропадает, когда он прогревается до нормальной температуры работы.

Последствия детонации

В этом случае вероятной причиной является вязкость масла, которое из-за консистенции не поступает в нужном объёме в гидрокомпенсаторы – клапан при возврате «пробивает» пружину. При прогреве тепловой зазор (то есть зазор между распредвалом и толкателем) уменьшается, и стук пропадает.

Стук может появляться в клапанах и на «горячем» двигателе. Причинами могут быть недостаточное давление в масляной системе, а также износ основных узлов – пружины, втулки, компенсаторов.

Регулировка теплового зазора

Тепловым зазором называют расстояние межу толкателем и распредвалом, необходимое для того, чтобы компенсировать расширение при нагреве клапана. Регулировка делается по-разному на разных моделях двигателей. На моделях с коромыслом в качестве средства взаимодействия с толкателем, например, специальный регулировочный механизм.
На самых распространенных двигателях с кулачковой системой процедура замены «стакана» выглядит следящим образом.

1. Снять крышку клапанной группы.
2. Повернуть коленвал таким образом, чтобы поршень 1-го цилиндра оказался в верхнем крайнем положении.
3. Далее с помощью специального щупа необходимо измерить зазор между кулачком и толкателем (в тех клапанах, которые в этот момент закрыты). Щуп в зазоре должен лежать плотно, но свободно вытаскиваться.
4. Провернуть коленвал на 360 градусов и повторить процедуру с оставшимся клапанами.
5. Заменить те стаканы, в которых зазор оказался слишком большим или малым, на новые.

Важном помнить, что тепловой зазор, да и клапаны в целом, проверяется только она «холодном» двигателе.

Если материал был полезен, напишите комментарий. Если оказался бесполезен или неточен, тем более пишите.