Выпускной клапан двигателя

Клапаны

Для работы четырехтактного ДВС требуется как минимум по два клапана на цилиндр — впускной и выпускной. В настоящее время применяются клапаны тарельчатого типа со стержнем. Для улучшения наполнения цилиндра горючей смесью диаметр тарелки впускного клапана делается больше, чем у выпускного. Седла клапанов изготовленные из чугуна или стали, запрессовываются в головку блока цилиндров.
При работе двигателя клапаны подвергаются значительным механическим и тепловым нагрузкам, поэтому для их изготовления применяются специальные сплавы. Иногда для улучшения охлаждения клапанов высокофорсированных двигателей применяют клапаны с полым стержнем, который заполняется натрием. Натрий при рабочих температурах плавится и в расплавленном виде перетекает внутри клапана, перенося тепло от более нагретой тарелки клапана к стержню. Для лучшей очистки рабочей фаски от нагара и равномерной теплопередачи иногда применяются различные механизмы для вращения клапана.
ГРМ могут быть нижнеклапанными и верхнеклапанными, но в современных двигателях используются только верхнеклапанные ГРМ, когда клапаны располагаются в головке цилиндров. Клапан удерживается в закрытом состоянии с помощью пружины, а открывается при нажатии на стержень клапана. Клапанные пружины должны иметь определенную жесткость для гарантированного закрытия клапана при работе, но жесткость пружины не должна быть чрезмерной, чтобы не увеличивать ударной нагрузки на седло клапана. Иногда для уменьшения возможности резонансных колебаний используются пружины уменьшенной жесткости, но на один клапан устанавливается по две пружины.

При использовании двух пружин они должны быть навиты в разные стороны, чтобы не произошло заклинивания клапана в случае поломки одной из пружин и попадания ее витка между витками другой пружины. Для снижения потерь на трение в ГРМ сейчас широко применяются ролики, размещаемые на рычагах и толкателях привода клапанов.

Рис. Замена трения скольжения трением качения путем применения в клапанном механизме роликов дает возможность уменьшить потери на привод клапанов

При открытии (опускании) впускного клапана через кольцевой проход между тарелкой клапана и седлом проходит топливно-воздушная смесь (или воздух) и заполняет цилиндр. Чем больше будет площадь проходного сечения, тем полнее заполнится цилиндр, а следовательно, и выходные показатели этого цилиндра при рабочем ходе будут выше. Для лучшей очистки цилиндров от продуктов сгорания желательно также увеличить диаметр тарелки выпускного клапана. Размеры тарелок клапанов ограничены размером камеры сгорания, выполненной в головке цилиндров. Лучшее наполнение цилиндров и их очистка обеспечиваются при использовании большего, чем два, числа клапанов на один цилиндр. Встречаются трехклапанные (два впускных и один выпуск ной) системы и пятиклапанные (три впускных и два выпускных) системы.

Рис. Четырехклапанная камера сгорания. Применение газораспределительного механизма с четырьмя клапанами на цилиндр в дизельном двигателе

Впервые четыре клапана на цилиндр были использованы еще 1912 г. на двигателе автомобиля Peugeot Gran Prix. Широкое использование такой схемы на серийных легковых автомобилях началось только в 1970-е гг. Сейчас ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр стали практически стандартными для двигателей европейских и японских легковых автомобилей. Некоторые из двигателей Mercedes имеют по три клапана на цилиндр, два впускных и один выпускной, с двумя свечами зажигания (по одной с каждой стороны от выпускного клапана).
Двигатели некоторых автомобилей группы Volksvagen-Audi и ряд японских двигателей используют пять клапанов на цилиндр (три впускных и два выпускных), но при таком числе клапанов значительно усложняется их привод.

Рис. Трехклапанный ГРМ. Компания DaimlerChrysler утверждает, что ГРМ с двумя впускными, одним выпускным и двумя свечами зажигания обеспечивает снижение вредных веществ в отработавших газах

Клапана двигателя.

Клапана двигателя в процессе работы двигателя подвергаются трению и в результате приходят в негодность, а установленные зазоры изменяются. Тепловой зазор клапанов имеет немаловажное значение в клапанном механизме. Чтобы двигатель нормально функционировал, необходимо соблюдать время открытия и закрытия клапанов, и сохранять герметичность клапана в закрытом состоянии.

Пока температура двигателя не достигла нужных параметров, между торцом и коромыслом, или толкателем и распределительным валом должен соблюдаться зазор, который был определён заводом. Он установлен на основании температурного расширения металла. Смысл этого расширения в том, что при нагревании двигателя до рабочей температуры многие составные части газораспределительного механизма нагреваются и, следуя законам физики, изменяются в размере и в форме. Тепловые зазоры, рекомендуемые для различных двигателей, будут отличаться по значениям, так как тепловое расширение различных металлов неодинаково, а также форма и размеры деталей различны.

Зазоры между клапанами двигателя.

Отличие теплового зазора впускного и выпускного клапана двигателя объясняется различной температурной загруженностью и тем, что клапаны изготовлены из металлов, имеющих различные свойства.

При правильно установленных зазорах, после прогревания размеры клапанов уменьшаются до минимума, в результате этого достигается своевременное регулирование фаз газораспределения и длительный срок эксплуатации деталей. Если обратить внимание на работу непрогретого двигателя, то слышен повышенный шум. Поэтому для предотвращения ударных нагрузок на торец клапана, важно не допускать прогревание двигателя на больших оборотах.

В процессе работы постепенно происходит расклёпывание клапанов и седла, углубление посадки клапана в седле, в результате чего тепловой зазор уменьшается. Более детальную информацию о седле клапана можно найти в статье, размещённой на сайте.

Уменьшение зазора происходит в результате изнашивания кулачков распределительного вала, коромысла, плоскости толкателей и торцов клапана двигателя. По причине нарушения фаз газораспределения уменьшается мощность двигателя. Возрастает износ большого количества сопутствующих деталей. В итоге начинается цепная реакция, целые детали выходят из строя, как результат, изнашивание связанных с ними других деталей.

В случае отклонения теплового зазора в сторону увеличения, происходит постоянная ударная нагрузка на клапаны двигателя, что снижает их срок службы. Торец скалывается, это приводит к постепенному увеличению зазора, повышается шумность. Наполняемость цилиндров топливовоздушной смесью и эффективность сгорания снижается, из-за этого происходит нарушение фаз газораспределения, в результате уменьшается мощность.

При меньшем тепловом зазоре, нарушается герметичность камеры сгорания, так как клапаны не закрывают её должным образом. Это приводит к уменьшению компрессии, в момент такта сжатия, некоторый объём поступившей топливовоздушной смеси выбрасывается сквозь щели между клапаном и седлом. На рабочем ходу раскалённые отработанные газы также выбрасываются и приводят к тому, что клапаны прогорают. Из-за того, что тарелки клапанов не соприкасаются с сёдлами, происходит нарушение процесса теплоотдачи, в результате клапан двигателя нагревается до температур, при которых возрастает износ (окисление, коррозия), вероятность заклинивания в направляющей втулке или доведение её до более скорого износа, обрыв тарелки, увеличение нагрузки на ремень ГРМ.

• Впускные клапаны в основном охлаждаются свежей поступающей топливовоздушной смесью и обладают лучшим уровнем охлаждения.
• Выпускные основную составляющую тепла переносят на седло клапана. Если тепловой зазор отсутствует (происходит зависание или зажатие), высокая температура приводит к разрушению клапана и направляющей втулки.

Регулировка клапанов двигателя.

Необходимость регулировки определяют в первую очередь по графику ТО и ТР, установленного производителем. Эта информация содержится в мануалах по данному автомобилю, двигателю. Возникает необходимость регулировки и в случае внепланового ремонта и при другом удобном случае.

Тепловой зазор нужно проконтролировать в случае обнаружения следующих нарушений: уменьшение мощности, наличие постороннего шума (шелест, звон), низкая компрессия, увеличение расхода топлива или масла, прострелы в глушитель или впускной коллектор, по сигналу Сheck богатая бедная смесь, отклонение в состоянии свечей зажигания. И один из указанных симптомов, и совокупность нескольких, может указывать на неполадки в работе газораспределительного механизма или других узлов.

Самостоятельная регулировка теплового зазора клапанов двигателя.

Чтобы подготовиться к работе, следует определить тип клапанного механизма, выяснить какие инструменты или приспособления понадобятся, возможно, потребуются запасные части,

Вид подходящего инструмента зависит от того, какой непосредственно клапанный механизм придётся разбирать. Наиболее важным будет набор щупов, ведь им будет проводиться замер. Также могут понадобиться специальные плашки в форме шестигранников или звёздочек, различные отвёртки и головки, чтобы открутить и снять крышку, добраться до механизма газораспределения. В некоторых двигателях можно снять впускной коллектор, дроссельную заслонку, интеркуллер. После их демонтажа нередко портятся уплотнительные прокладки и возникает необходимость их замены. Поэтому, лучше изучить инструкцию по конкретной модели, ведь в интернете не составит труда её найти.

Заранее подготовьте запасные части. Ведь когда придётся собирать всё в первоначальное состояние, могут понадобиться и прокладки, и герметик, и уплотнительные резинки. Участки для нанесения герметика обязательно обезжириваем. Разумеется, лучше всего для этого подходит ацетон. Аккуратно удаляйте старые прокладки, не повредите поверхность. Оптимально использовать с этой целью средство для удаления прокладок: и время сэкономит, и терпение. Конечно же, прежде чем купить, ознакомьтесь с инструкцией на баллончике.

Двигатель, на котором планируется проводить регулирование, должен быть холодным, 20°- 30°С. Начинается процесс с выставления распределительных валов по метками положения верхней мёртвой точки поршня в такте сжатия. В этом случае на проверяемых цилиндрах клапаны будут полностью закрыты и щупом, который располагают между колпачком и толкателем определяют замер. В другой ситуации щуп располагают между коромыслом и торцом клапана двигателя. Затем следует зафиксировать на бумаге все показания, для удобства можно нарисовать головку и клапаны, подписав под каждым из них соответствующее значение. Так будет проще представить картину в целом, оценить общее состояние и при необходимости рассчитать регулировочные шайбы (если они применены). Когда замер выполнен, можно приступать к регулировке: подкручивать винты или заменять шайбы.

Устройство автомобилей

Детали клапанной группы

Клапанная группа

Завершающим звеном механизма газораспределения является клапанная группа, которая включает в себя клапан, пружину, детали крепления клапана и пружины, направляющую втулку и седло клапана.

Клапанная группа работает при больших механических и тепловых нагрузках. Наиболее нагруженным является сопряжение «клапан-седло». Эти детали подвергаются наибольшим ударным воздействиям при посадке клапана в седло, и работают в условиях высоких температур.

Сопряжение «клапан-седло-направляющая втулка» работает при недостаточном смазывании и высокой скорости перемещения клапана, что вызывает их интенсивное изнашивание.

Исходя из условий, в которых работают детали этой группы ГРМ, к клапанной группе предъявляются следующие требования:

• герметичное закрытие клапанов;
• малое сопротивление рабочей смеси и отработавшим газам при впуске и выпуске (хорошая обтекаемость);
• минимальная масса деталей;
• высокая прочность и жесткость;
• высокая тепловая стойкость;
• эффективный отвод тепла от клапана (особенно для выпускного);
• высокая износостойкость (особенно в сопряжении «втулка-клапан»);
• высокая коррозийная стойкость в сопряжении «седло-клапан».

Клапаны

Клапаны открывают и закрывают впускные и выпускные отверстия в головке блока цилиндров. Основные элементы клапана: головка 12 и стержень 9 (рис. 1). Головку клапана иногда называют тарелкой клапана.
Плавный переход от головки к стержню снижает сопротивление потоку газов при их истечении через газообменные отверстия. Поскольку отработавшие газы удаляются через выпускной клапан при значительном давлении, головку этого клапана обычно выполняют меньшего диаметра, чему головку впускного клапана.
Температура головки выпускного клапана бензиновых двигателей достигает 800…900 ˚С, а в дизельных двигателях – 500…700 ˚С.
Температурная нагрузка на головки впускных клапанов значительно ниже, тем не менее она приводит к нагреву тарелки клапана до 300 ˚С.

Поэтому для изготовления выпускных клапанов применяются жаропрочные сплавы и материалы, в качестве которых обычно используют жаропрочные стали с большим содержанием легирующих присадок. В целях экономии дорогостоящих жаростойких материалов выпускные клапаны изготовляют из двух частей. При этом для головки используется жаростойкий материал, а для стержня – углеродистые стали.
Головка и стержень в данном случае соединяются между собой стыковой сваркой.

Для повышения коррозийной стойкости и уменьшения изнашивания в выпускных клапанах рабочие поверхности фаски, а в некоторых случаях и поверхность головки со стороны цилиндра наплавляют слоем твердого сплава толщиной 1,5…2,5 мм (рис. 1).

Так как впускные клапаны омываются свежим зарядом и находятся в более легких температурных условиях, к материалу впускных клапанов предъявляются менее жесткие требования и для их изготовления используются хромистые и хромоникелевые среднеуглеродистые стали.

Обтекаемость клапана, работоспособность его фасок во многом зависит от формы головки. Для впускных клапанов чаще используют головки плоской формы (см. рис. 1 и 2), отличающиеся простотой конструкции и достаточной жесткостью. В форсированных двигателях иногда применяют впускные клапаны с вогнутыми головками (см. рис. 1, в). Такие клапаны имеют меньшую массу, чем клапаны с плоской головкой и их движение вызывает меньшие инерционные нагрузки.

Головки выпускных клапанов выполняются или плоскими (рис. 1, 2 и 3, г), или выпуклыми (рис. 3, б). Выпуклая форма головки способствует улучшению обтекаемости клапана со стороны цилиндра и повышению его жесткости, но вместе с тем увеличивается и масса клапана, что отрицательно сказывается на его инерционности.

Сопряжение между тарелкой (головкой) клапана и седлом осуществляется по фаске – специальному пояску на боковой поверхности головки. Угол наклона фаски у впускных клапанов для большинства двигателей составляет 45˚, а у выпускных – 45 и 30˚.
В процессе изготовления клапанов фаски головок шлифуют, а при установке на двигатель притирают к седлу. Ширина притертого пояска фаски для выпускных клапанов должна быть не менее 0,8 мм; для впускных клапанов допускается более узкий поясок, который, тем не менее, не должен прерываться по периметру окружности фаски.
Для обеспечения надежного контакта между клапаном и седлом по наружной кромке фаски клапана угол фаски клапана делают на 0,5…1˚ меньше угла фаски седла.

Коррозийный и механический износ фасок на клапане и седле резко снижает эффективность работы двигателя. На фасках выпускных клапанов в процессе работы постепенно откладывается нагар, который тоже препятствует герметичному закрыванию выпускного отверстия. Для предотвращения образования нагара на фасках выпускных клапанов и повышения их долговечности, в некоторых двигателях выпускной клапан в процессе работы принудительно проворачивается с помощью специального механизма (см. рис. 1, поз. 5).

Механизм принудительного вращения клапана (рис. 4) состоит из неподвижного корпуса 3, расположенных в углублениях этого корпуса пяти шариков 2 с возвратными пружинами 1, конической дисковой пружины 4, опорной тарелки 5 и пружины клапана 7.
Все детали в собранном состоянии скрепляются пружинным кольцом 6.

При открытии клапана от усилия пружины дисковая пружина 4, опирающаяся при закрытом клапане на буртик корпуса 3, деформируется и ложится на шарики 2, которые в это время располагаются в мелкой части углубления корпуса.
Под давлением пружины шарики перекатываются по углублению корпуса в более глубокую часть, поворачивая при этом коническую пружину 4, опорную тарелку 5, пружину клапана и сам клапан вокруг его оси.

После закрытия клапана, когда усилие пружины клапана уменьшается, коническая дисковая пружина 4 возвращается в исходное положение, при этом шарики освобождаются и возвратными пружинами 1 перемещаются в более мелкую часть углубления в корпусе 3, подготавливая механизм к следующему циклу работы.

В двигателях марок «ЗМЗ», «ЯМЗ» возможность проворачивания в процессе работы впускных и выпускных клапанов обеспечивается установкой между опорной тарелкой и сухарями промежуточной втулки (см. рис. 1, поз. 13; рис. 2, поз. 11; рис. 3, поз. 4).

Промежуточные втулки имеют небольшую контактную поверхность с подвижными опорными тарелками пружин, следовательно, трение между этими деталями невелико. Поэтому при открытии клапана вследствие вибрации всех деталей механизма клапан периодически поворачивается.

Ниже фаски головка клапана имеет цилиндрический поясок, который предохраняет ее от обгорания, сохраняет диаметр тарелки клапана при перешлифовке и обеспечивает жесткость головки.

Для предотвращения падения клапана в цилиндр при поломке хвостовика стержня или клапанной пружины, на его стержне может устанавливаться пружинное стопорное кольцо (см. рис. 3, д, поз. 1).

Торцы стержней (пятки клапанов), находящиеся в контакте с коромыслом или кулачком, подвергаются закаливанию. В некоторых двигателях вместо закаливания на концы стержней надеваются колпачки (см. рис. 1, поз. 21) из износостойких материалов и сплавов.

На стержень впускных клапанов надевают резиновый колпачок (см. рис. 3, е, поз. 5), который во время такта впуска препятствует проходу масла в камеру сгорания через зазор между стержнем и направляющей втулкой клапана.

Для предотвращения заклинивания выпускных клапанов в отверстии направляющей втулки при температурном расширении, их стержни вблизи головки выполняют несколько меньшего диаметра, чем по остальной длине.

Для крепления клапанных пружин на конце стержня выполняются одна или две выточки, в которые при сборке входят выступы сухарей 2 (рис. 3, д, е).

Для понижения температуры выпускных клапанов диаметр их головок уменьшают, а диаметр стержня увеличивают. Такое техническое решение позволяет повысить тепловую стойкость клапана, но увеличивает сопротивление потоку выпускаемых газов. Впрочем, поскольку выброс отработавших газов из цилиндра осуществляется под значительным давлением (по сравнению с давлением впуска), то этим недостатком пренебрегают.

Более эффективным является способ принудительного охлаждения выпускных клапанов. Для этого стержень выпускного клапана делают пустотелым (см. рис. 1, а, в) и заполняют металлическим натрием, который имеет низкую температуру плавления (97 ˚С). При работе жидкий натрий, нагреваясь от головки клапана, испаряется, поглощая большое количество теплоты. Поднявшись в верхнюю часть стержня, пары натрия конденсируются и передают теплоту верхней части стержня, которая работает в менее теплонапряженных условиях.

Клапанные пружины

Клапанная пружина должна обеспечивать плотную посадку клапана в седло. Она работает в условиях резко меняющихся динамических нагрузок, способных вызвать резонанс и последующую поломку пружины.
Чаще всего применяют цилиндрические винтовые пружины с постоянным шагом витков.
Для предотвращения резонансных явлений могут применяться пружины с переменным шагом, конические пружины и двойные пружины. При использовании двойных пружин возрастает надежность работы ГРМ и уменьшается общий размер пружин.
Направление витков внутренней и внешней пружин выполняют разным, чтобы исключить резонанс и, в случае поломки одной из пружин, предотвратить попадание обломков между витками второй пружины.

Клапанные пружины изготавливают навивкой проволоки из пружинной стали. После навивки пружины подвергаются термической обработке (закалка и отпуск), а для повышения усталостной прочности обдуваются стальной дробью.

Концевые витки пружин шлифуются для получения плоской кольцевой опорной поверхности. Для повышения коррозионной стойкости пружины оксидируют, оцинковывают и кадмируют.

Пружины опираются на головку блока цилиндров через специальные неподвижные тарелки (см. рис. 2, поз. 4), которые штампуются, как и верхние подвижные тарелки из малоуглеродистой стали. Верхняя тарелка пружины фиксируется на клапане с помощью сухарей.

Направляющие втулки клапанов

Направляющая втулка обеспечивает перемещение клапана и отвод теплоты от его стрежня во время работы. При этом нижний конец самой втулки (особенно выпускного клапана) омывается горячими газами. При недостаточном поступлении смазочного материала в зазоры между стержнем клапана и внутренней поверхностью втулки трение между этими деталями приближается к полусухому.
По этой причине к материалу направляющих втулок предъявляются требования высокой износостойкости, достаточной жаростойкости и хорошей теплопроводности. Кроме того, он должен обладать высокими антифрикционными качествами. Этим требованиям удовлетворяют перлитные серые чугуны, алюминиевые бронзы, спекаемая хромистая или хромоникелевая керамика. Пористая структура данных материалов хорошо удерживает смазочный материал.

Для фиксации в головке блока цилиндров втулки выполняются с выточкой под пружинное кольцо (см. рис. 3, а, поз. 1) или с наружными заплечиками.

Зазор между направляющей втулкой и стержнем клапана для впускных клапанов устанавливается меньше, чем для выпускных, из-за разной температуры нагрева. Для предотвращения заклинивания клапана во втулке при высокой температуре и перекоса (в приводе клапана непосредственно от распределительного вала) нижнюю внутреннюю поверхность втулки выполняют конусной (см. рис. 3, г) или уменьшают диаметр стержня клапана у головки (см. рис. 1, б).

Седла клапанов

Седло клапана обеспечивает долговечность контактной зоны клапана с головкой блока цилиндров. В головках из алюминиевого сплава используют стальные седла, а в чугунных головках они растачиваются непосредственно в теле (см. рис. 2, а). Для изготовления вставных седел используют специальные легированные чугуны или жаростойкие стали. Для повышения износостойкости фаски седел выпускных клапанов наплавляются слоем твердого сплава (см. рис. 1, поз. 18).

Седло представляет собой кольцо с цилиндрической или конической наружной поверхностью. Крепится седло в головке с натягом при запрессовке или путем расчеканивания головки (см. рис. 3, к). Стальные седла могут крепиться развальцовкой верхней части седла (см. рис. 3, л). При креплении седел запрессовкой на их наружной поверхности часто выполняются кольцевые проточки (см. рис. 3, з, и), которые в процессе запрессовки заполняются металлом головки.

Цилиндрические седла вставляются до упора, а конические – с небольшим торцевым зазором.

Для получения надежного уплотнения поясок седла шириной около 2 мм выполняют с переменным углом (см. рис. 3, ж).

Защита выпускного клапана двигателя внутреннего сгорания (стр. 1 из 2)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

СУМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ПМ и ТКМ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине: Коррозия и защита материалов

На тему:Защита выпускного клапана двигателя внутреннего сгорания

Выполнила: Мысливченко А.Н.

группа МТ-71

Проверила: Марченко С.В.

1.Заданная деталь: выпускной клапан двигателя внутреннего сгорания

o Клапан служат для периодического открытия и закрытия отверстий впускных и выпускных каналов в зависимости от положения поршней в цилиндре и от порядка работы двигателя. Клапан состоит из головки и стержня.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – устройство, преобразующее тепловую энергию, получаемую при сгорании топлива в цилиндрах, в механическую работу.

Рисунок 1 – Общий вид двигателя

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания работает по следующему принципу;

Рисунок 2 – Впуск горючей смеси

Впуск – поршень перемещается от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Открыто впускное отверстие. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра создается разрежение 0,075 – 0,085 МПа, а температура смеси находится в пределах 90 -125° С. Цилиндр заполняется свежим зарядом горючей смеси.

Сжатие – поршень движется от н.м.т. кв. м.т. Впускное и выпускное отверстия закрыты. Объем над поршнем уменьшается, а давление и температура к концу такта соответственно достигают величин 1,0. 1,2 МПа и 350. 450° С. Рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание паров бензина с воздухом.

Рабочий ход (сгорание и расширение) – сжатая рабочая смесь воспламеняется искрой. Поршень под давлением расширяющихся газов перемещается от в. м. т. к н.м.т. Впускное и выпускное отверстия закрыты. Давление газов достигает величины 3,5. 4,0 МПа, а температура доходит до 2000° С.

Рисунок 3 – Рабочий ход поршня

Выпуск – поршень движется от н.м.т. кв. м.т. Открыто выпускной клапан. Давление газов снижается до 0,11. 0,12 МПа, а температура-до 300. 400° С.

Рисунок 4 – Выпуск газов при помощью опускания выпускного клапана (вид А)

2. Условия работы выпускного клапана

Клапаны двигателя внутреннего сгорания функционируют в экстремальных условиях. Они подвержены совместному действию переменной механической нагрузки, высокой температуры, износа, коррозии и эрозии. Во время работы двигателя температура нагрева головки клапана может достигать 800˚С, стержень нагружен циклическими растягивающими усилиями пружины, поверхность стержня подвергается сильному воздействию факторов трения, торец стержня испытывает интенсивные контактные нагрузки. Клапаны и седла клапанов подвергаются износу в результате ударов головки клапана о седло, повторяющихся с большой частотой, коррозионному действию агрессивных отработавших газов при повышенной температуре, а также эрозионному действию струи газа и продуктов неполного сгорания топлива. После некоторого периода, работы седло покрывается нагаром, который под влиянием высокой температуры накаляется, что приводит к выжиганию опорной поверхности клапана и потере герметичности. Не герметичность клапанов, в свою очередь, приводит к нарушениям в работе двигателя, к которым относятся затрудненный запуск, уменьшение мощности и др. При этом через образовавшиеся щели под высоким давлением проходит струя горячих рабочих газов, сильно нагревающих головку клапана. Вследствие такого нагрева края головки подправляются и клапан разрушается. С течением времени материал клапана может настолько снизить свою прочность в результате выгорания некоторых компонентов сплава, что возможен даже отрыв головки от стержня клапана. На интенсивность износа седел клапанов влияет также состав всасываемой в цилиндры смеси. Вели смесь слишком бедную, то сгорание происходит при более высокой температуре и коррозионное действие отработавших газов оказывается сильнее. Когда смесь слишком богата, сгорание идет медленнее и при более низкой температуре. Несгоревшие тяжелые фракции топлива ускоряют осаждение слоя нагара, коррозионно-агрессивного к материалу клапана. Поэтому к клапанам предъявляются очень жесткие технические и качественные требования.

Возможные причины выхода из строя или дефектов при эксплуатации выпускных клапанов.

Характерными дефектами выпускных клапанов являются их прогорание и зависание, обрыв клапанных тарелок (термическое разрушение донышка). На выпускные клапаны приходится до 12% общего числа отказов по дизелю. Основная доля отказов (около 60 %) связана с разрушением рабочих поисков клапанов и их седел из-за образования глубоких раковин, требующих проточки и притирки. Наблюдается также изнашивание стержня по длине и направляющих втулок. ( Следует отметить, что выпускные клапаны и седла изнашиваются гораздо быстрее впускных, так как их коррозия развивается интенсивнее.)

Наибольший урон выпускным клапанам наноситгазовая коррозия. Газовая коррозия – коррозия металлов, вызываемая действием паров и газов обычно при высоких температурах Металлы окисляются кислородом, парами воды, оксидом углерода, оксидом серы по следующих уравнениях;

Me + C О₂ + t→ MeO + CO

3 Me +SО₂ + t→ 2MeO + MeS

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).

Прогрессивные технологические решения для увеличения срока службы выпускных клапанов.

3. Способ защиты – плазменно-порошковая наплавка

Из существующих способов плазменно-порошковая наплавка получила наибольшее распространение как наиболее универсальный метод. При плазменно-порошковой наплавке присадкой служат гранулированные металлические порошки, которые подаются в плазмотрон транспортирующим газом с помощью специального питателя. Метод порошковой плазменной наплавки (ППН) является наиболее оптимальным по производительности, цене и качеству.

Достоинства метода плазменной наплавки заключаются в следующем:

· высокая производительность наплавки – выше 25 кг/ч;

· эффективность метода – около 85 %;

· низкая растворимость основного металла в наплавленном слое (до 5%);

· высокое качество наплавленного металла;

· возможность наплавки относительно тонких слоев (0,5-5,0 мм).

Важной особенностью ППН является отличное формирование наплавленных валиков, стабильность и хорошая воспроизводимость их размеров. Установлено, что у 95% наплавленных деталей отклонение толщины наплавленного слоя от номинального размера не превышает 0,5 мм. Это позволяет существенно сократить расход наплавочных материалов, время наплавки, а также затраты на механическую обработку наплавленных деталей.

Установление взаимосвязи между температурой оплавления порошка и временем выдержки при температуре оплавления порошка позволяет регулировать и управлять свойствами покрытия. Оптимальный выбор технологических режимов процесса плазменной наплавки обеспечивает минимальное перемешивание наплавляемого материала с основным металлом, практически, с нулевой глубиной проплавления (что позволяет при однослойной наплавке обеспечить заданный состав даже тонкого слоя покрытия), а также минимальную окисляемость наплавляемого материала за счёт специальной инертной или восстановительной защитной среды.

Плазменная порошковая наплавка обеспечивает высокую работоспособность деталей за счет отличного качества наплавленного металла, его однородности, а также благоприятной структуры, определяемой специфическими условиями кристаллизации металла сварочной ванны.

Производительность плазменной наплавки с введением порошкообразного материала в столб дуги транспортирующим газом можно повышать либо за счет увеличения тепловой мощности дуги, либо за счет более эффективного нагрева порошка в дуге. Особенности процессов плавления присадочного и основного металлов при плазменной наплавке обусловлены возможностью регулировать в широком диапазоне соотношение между тепловой мощностью дуги, количеством и температурой подаваемого в сварочную ванну присадочного порошка. Изменяя это соотношение, можно обеспечить минимальное проплавление основного металла.

В качестве материала выбираются композиционные порошки на основе железа (в том числе и нержавеющие стали), кобальта, никеля (в том числе и самофлюсующиеся), обладающие свойствами обеспечивающими коррозионную, ударную, тепловую стойкости и устойчивость к износу.

Для автоматизации процесса применяются роботизированные комплексы, обеспечивающие непрерывность процесса изготовления упрочненных клапанов.

Впускные и выпускные клапаны автомобиля

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.

В связи с этим они изготавливаются из более стойких материалов, чем впускные клапаны, и соответственно стоят дороже.

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.

Конструкции клапанов автомобиля

Головки клапанов авто (автомеханики часто называют их тарелками) могут иметь различную конструкцию, они могут быть как жесткими так и эластичными. Жесткая головка обладает высокой прочностью, сохраняет форму и обладает высокой теплопроводностью. Она также отличается более высокой износоустойчивостью. Эластичная головка, в свою очередь, способна приспосабливаться к форме седла. Поэтому эластичный клапан надежно запечатывает окно, но перегревается, а изгибы при посадке в седло, когда клапан адаптируется к его форме, могут привести к его разрушению. В конструкции клапанов широко используется головка, над лицевой поверхностью которой выступает небольшая шляпка. Такой клапан обладает достаточно небольшим весом, высокой прочностью и теплопередачей и чуть более высокой ценой. Эластичные головки чаще встречаются у впускных клапанов, а жесткие — у выпускных.

Попадание холодного воздуха на горячие выпускные клапаны сразу после остановки двигателя может привести к серьезным повреждениям клапанов. В двигателях оснащенных выпускными коллекторными головками и/или прямоточными глушителями, холодному воздуху открыт прямой доступ к выпускным клапанам. Резкое охлаждение может вызвать коробление и/или образование трещин в клапане. В холодную ветреную погоду, когда ветер вдувает холодный наружный воздух прямо в систему выпуска отработавших газов, такие условия — не редкость. Противоточные глушители с длинными выхлопными трубами и каталитическим нейтрализатором отработавших газов снижают опасность возникновения такой ситуации.

Материалы из которых изготавливаются клапаны

Сплавы, материалы из которых изготавливаются выпускные клапаны автомобиля, состоят главным образом из хрома, обеспечивающего высокую жаростойкость, с небольшими добавками никеля, марганца и азотных соединений. Если требуется придать клапану особые характеристики, то он подвергается термообработке. Если конструкция клапана из однородного материала не может обеспечить необходимую прочность и жаростойкость, то его изготавливают сварным — из двух различных материалов. После обработки место соединения частей клапана невозможно различить. Головки клапанов изготавливаются из специальных сплавов, обладающих жаростойкостью, прочностью, коррозионной стойкостью, стойкостью к воздействию окиси свинца и высокой твердостью. Головки привариваются к стержням, изготовленным из материалов, обладающих высокой износостойкостью. В клапанах, предназначенных для работы в особо тяжелых условиях, на рабочую фаску головки и верхушку стержня впускного клапана автомобиля направляются твердосплавные материалы типа стеллита. Стеллит представляет собой сплав никеля, хрома и вольфрама и является немагнитным материалом. В тех случаях, когда необходимо повысить коррозионную стойкость, клапан алитируется. Алитирование рабочей фаски снижает ее износ при использовании неэтилированного бензина. На поверхности клапана формируется пленка окиси алюминия, предотвращающая приваривание стальной фаски клапана к чугунному седлу.

Клапаны с полым стержнем и деформацией седла

В некоторых типах особо мощных двигателей используются выпускные клапаны с полым стержнем, заполненным металлическим натрием. Натрий при нагреве клапана до рабочей температуры расплавляется, превращаясь в жидкость. Этот расплав плещется в канале стержня и отводит тепло от головки клапана в стержень. Далее тепло передается через направляющую втулку клапана и поглощается системой охлаждения. Монолитная конструкция впускного и выпускного клапана при правильном выборе материалов обеспечивает, как правило, хорошие эксплуатационные характеристики автомобильных двигателей.

Клапан прижимается к седлу рабочей фаской, герметично закрывая камеру сгорания. Седло обычно формируется как элемент конструкции в отливке чугунной головки блока цилиндров — такое седло называется встроенным седлом. Седла обычно подвергаются индукционной закалке, чтобы можно было использовать неэтилированный бензин. Это обеспечивает замедление износа седел в процессе эксплуатации двигателя. В процессе износа седла клапан все глубже садится в него — утапливается. В тех случаях, когда коррозионная стойкость и износостойкость должны быть особенно высокими, всегда используются вставные седла. В алюминиевых головках седла и направляющие втулки клапанов — только вставные. Необходимо отметить, что в алюминиевых головках рабочая температура седел выпускных клапанов на 180°Ф (100°С) ниже, чем в чугунных. Вставные седла используются в качестве спасительной меры при восстановлении сильно поврежденных встроенных седел клапанов.

Деформация седла является основной причиной преждевременного выхода из строя клапанов. Деформация седла клапана может быть обратимой — как результат воздействия высокой температуры и давления, или необратимой — как результат действия внутренних механических напряжений. Механическое напряжение — это сила, действующая на тело, которая стремится изменить его форму.