Клапана в двигателе

Клапан ДВС

Большое разнообразие материалов из которых изготавливают клапаны двс может поставить перед сложным выбором. В этой статье пойдет речь о технологиях производства клапана в каких случаях использовать те или иные клапаны, их достоинства и недостатки, облегчение и проточка «тюльпана», а также поговорим о защищающих покрытиях и методах их нанесения. Эта информация предоставлена, чтобы помочь Вам сделать обоснованное решение при модернизации клапанного механизма.

1.Технологии производства клапанов.

При изготовлении выпускных клапанов особое внимание уделяется методам изготовления и материалам способным длительно выдерживать высокую температуру и при этом сохранять прочность. К впускным требования не столь жесткие так как они имеют дополнительное охлаждение свежей топливовоздушной смесью. Необходимым свойствам соответствуют многие сплавы при соблюдении определенных технологиях, но всегда приходится чем-то жертвовать к тому же вес детали получается большим. Проводится много исследований и выявление новых материалов не стоит на месте. Множество запатентованных технологий еще не нашли своего применения на практике.

Все то множество технологий и их недостатки я описывать подробно не буду, поверхностно пройдемся по основным. Как делается тарелка клапана:

Торцевая раскатка- раскалённый стержень клапана выступает из матрицы и вращающийся под углом к оси матрицы пауссон раскатывает по кругу стержень, который постепенно подается в матрицу до придания необходимой формы. Создается направленная микроструктура метала, параллельная профилю тарелки клапана, что увеличивает прочность.

1-торец заготовки. 2-матрица. 3-паусон. 4-готовая тарелка клапана. 5-стержень.

В следующем методе заготовку подают в матрицу и похожим образом раскатывают тарелку клапана, при этом еще выдавливается ножка в отверстие что тоже дает направленную микроструктуру, подобную волокнам древесины. Существует еще несколько методов имеющих сходство с описанным.

Клапан изготавливают из стали марок: 40Х9С2, 40XH, 40Х10С2М, 20ХН4ФА, 55Х20Г9АН4, 45Х14Н-14В2М, титановых сплавов ПТ-3В, ВТ3, ВТ-14, ВТ6, с намного низкой температурной стойкостью (только впускные клапаны) ВТ18У и ВТ25У и других сплавов. Клапаны из сплавов на основе интерметаллида TiAl имеют сравнимо низкую плотность металла, соответственно и меньший вес с большей твердостью и жаропрочностью даже в сравнении с привычными сплавами на основе титана. Но возникают трудности при изготовлении по привычным технологиям, позволяющим добавить прочность, из-за низкой пластичности. В таком случае изготавливают методом литья, но в этом случае, в структуре металла образуется пористость, которая удаляется только высокотемпературным газоизостатированием, очень дорогая процедура, составляющая себестоимость клапана.

Широко применяется комбинированная система, когда стержень выполняется из низколегированных сплавов с большей твердостью, а тарелка из жаропрочных. Готовые детали в последствии свариваются различными методами или напрессовываются, конструкция считается не очень надежной.

Другой вариант изготовления, стержень и торец клапана изготавливаются из одного сплава, в последствии деформационной и термо обработки создаются разные микроструктуры метала, в головке обеспечиваются высокая твердость и сопротивление ползучести в тарелке высокая термостойкость. Опять же технологии изготовления очень дорогостоящие. Не стану описывать остальные методы, имеющие по 3-4 переходных зоны по микроструктуре и технологию отжига, все они принципиально схожи с выше описанным.

Горячая штамповка в торец- раскалённый стержень просто вдавливается в матрицу в которой метал распределяется как попало с нарушением микроструктуры, самый простой и бюджетный способ, не имеющий необходимой прочности.

2. Виды клапанов

Широко распространены всего два вида тарельчатых клапанов «Тюльпан» и «Т-образный».

Стоит разобраться в недостатках и преимуществах чтобы сделать свой выбор. И так самый распространенный это тюльпан, имеет большой запас прочности обтекаемую форму, часто большой вес.

Т- образный предназначен в большей степени для тюнингованного мотора работящего преимущественно на высоких оборотах. Имеет минимальный радиус перехода от ножки к тарелке, небольшой вес в следствии чего уменьшается нагрузка на газораспределительный механизм продлевая срок службы, сдвигает порог зависания клапана что позволяет использовать стандартные клапанные пружины, не прибегая к усиленным, отбирающих свою долю мощности, меньший износ направляющих втулок, лучшая продувка. О надежности поговорим чуть ниже.

3. Облегчение клапана типа «Тюльпан»

Из экономических соображений многие стремятся самостоятельно облегчить клапаны, покупка новых Т- образных выливается в кругленькую сумму, обычно это клапаны на основе титана, имеющие небольшой вес минимальную металлоёмкость и лучшие характеристики прочности и жаростойкости, однако в виду трудоемкого производства таких деталей себестоимость очень высока.

Выше я уже говорил, что Тюльпан изначально имеет большой запас прочности и есть возможность его облегчить ценой надежности, неоправданного риска попасть на очередную капиталку. Мало кого этот факт останавливает и начинаются поиски тех кто уже опробовал и сделать именно также, соблюдая размеры оппонента. В сети по этой теме можно найти много положительного опыта, реже попадаются печальный исход доработки.

А теперь давайте разберемся почему это происходит. В начале я описывал технологии производства клапанов и материалов. Если вы читали внимательно, то уже поняли, что большое значение имеет технология производства и созданная микроструктура в металле пусть хоть в результате термообработки или метода штамповки. Во время облегчения клапана механически удалятся часть металла в поверхностных слоях которого была заключена основная прочность всей детали. Термонагруженность тарелки возрастает вследствие чего материал клапана не способен выдерживать нагрузку и поддается деформации. Некоторые производители наносят специальные покрытия расширяющие свойства, в конце темы опишу подробнее. Из этого можно сделать вывод, вероятность обрыва тарелки 50/50, ведь вам не известна технология и материалы и действовать вы будете по опыту других или на глазок. Добавим вероятность заводского брака и возможную детонацию, и получите такой результат.

Однако не всегда так случается и судя по опыту немногих, облегченные клапаны ходят по 100тыс и продолжают исправно работать. Если вы все же решились на облегчение, задумайтесь об охлаждении тарелки, в этом поможет замена седел клапанов на бронзовые. Именно через седла отводится большая часть температуры. Об этом я уже писал в теме Седло клапана. Не допускайте острых краев и тонких кромок на тарелке, эти места будут чрезвычайно перегреты повысится вероятность детонации и приведет к прогару и разрушению клапана. Совершенно нет необходимости в фасках, сделайте плавный переход и скруглите кромку тарелки. Не забудьте притереть клапан к седлу, желательно не алмазными пастами. Рассмотрите варианты облегчения остальных подвижных частей- пружинные тарелки, коромысла или толкатели.

Предпочтение стоит отдавать конечно заводским Т- образным клапанам, не оставляя без внимания бренд, их надежность не заставит вас сомневаться. Не думайте опробовать производство из Китая даже если это титан.

4. Защищающие покрытия, методы нанесения.

Распространение получили три метода нанесения покрытия на металлы плазменно-порошковая наплавка, лазерное легирование, наплавка токами высокой частоты. Нанесенное покрытие совершенно другого металла на выпускной клапан расширяет защитные свойства детали, возможность противостоять агрессивной среде. Это позволяет выполнять клапан из более подходящих материалов по термостойкости и прочности, не прибегая к поиску золотой середины. Таким получаем прочный и легкий клапан, не способный противостоять окислению и износу, но применение тонкого слоя специального покрытия решит эту проблему.

Выхлопные газы высокой температуры наносят большой вред клапану, возникает газовая коррозия парами воды, окисление кислородом, оксидом углерода, оксидом серы, которые образуются в результате горения. Механическое воздействие расклепывает рабочую фаску увеличивается ее размер, нарушается герметичность, что приводит к прорыву раскалённых газов в щель и большему прогару.

Далее расскажу о методах нанесения покрытия, ознакомимся с каждым из них подробнее.

Плазменно-порошковая наплавка-

наиболее универсальный метод, подается гранулированный металлический порошок вместе с газом в плазмотрон. Такой метод позволяет наносить качественное покрытие толщеной 0.5-5.0мм, растворимость металла детали в наплавленном слое всего 5%, возможное отклонение от номинала толщены- 0.5мм, минимальная окисляемость наплавляемого слоя за счет подаваемого в плазмотрон газа, минимальная зона термического влияния.

Лазерное легирование-

на деталь воздействует луч лазера разогревая поверхность чуть больше температуры плавления основы. Температура регулируется мощностью лазера и диаметром луча. В результате происходит активное перемешивание легирующего металла размещенного на поверхности основы с металлом детали на глубину примерно 1-2 мм. Такой метод позволяет наносить покрытия стеллита, вольфрамохромокобальтового сплава. Растворимость основного металла в покрытии 5-10%.

Наплавка токами высокой частоты-

На тарелку клапана устанавливается кольцо из наплавляемого металла, между клапаном и кольцом находится порошковый флюс или газовая среда (аргон, азот) под действие тока высокой частоты разогревается кольцо и подогревается тарелка клапана до температуры диффузии металлов, место нанесения покрытия охлаждается водой с другой стороны клапана, таким образом происходит намораживание наплавляемого слоя, при этом клапан вращается для обеспечения равномерности нагрева. Таким образом наносят самофлюсующиеся сплавы ЭП616, ЭП616А, ЭП616Б, ЭП616В значительно дешевле кобальтовых стеллитов и имеют достаточную твердость и стойкость к коррозии. Растворимость основного металла в слое покрытия 20-30%.

Тарелка титанового клапана с покрытием нитрид хрома (CrN)

Пример с покрытием из нитрида титана, обеспечивает высокую твердость.

Покупка,замена клапонов Инструкция + Видео

Клапанный механизм автомобиля должен работать стабильно, иначе начнёт сбоить двигатель. Прогар, загиб и износ элементов — обычное дело на старых, проработавших немалое время моторах. Замену клапанов ГРМ удастся выполнить своими руками, если изучить полезную инструкцию и посмотреть видео по теме.

В каких случаях нужна замена

Потеря силовым агрегатом автомобиля компрессии — основной признак неправильной работы тарельчатых деталей. Камера сгорания теряет герметизацию из-за трёх распространённых неисправностей — износа штока, прогара или загибания клапанов после встречи с поршнями.

Износ штока

Работа устройств впуска и выпуска горючей смеси — это постоянное движение по направляющим. При длительной эксплуатации, на старых моторах — стержень детали истирается. Это приводит к увеличению зазора между стенками втулок и штоком, что ухудшает работу механизма в целом. Ремонт тут подразумевает не только замену самих клапанов, но и втулок — направляющих, по которым они двигаются.

Прогар

Когда отваливается часть тарелки или на ней появляется трещина, камеры сгорания разгерметизируется в любом положении распредвала. В основном, эта неисправность присуща выпускным клапанам, так как они больше подвержены воздействию термонагрузок.

Прогар — следствие таких неполадок:

• ошибочной регулировки теплозазора — если головка блока не имеет гидравлических компенсаторов;
• кривой настройки фаз газораспределения, что приводит к раннему сгоранию и образованию нагара в месте прилегания — клапан ещё не бывает прижат к седлу;
• обеднённой топливной смеси — из-за этого резко повышается температура в камере;
• наличия детонационных моментов в ДВС;
• заводского брака изделий.

Большей частью, устранение последствий прогара подразумевает замену сёдел, что крайне сложно осуществить в домашних условиях. Для этого нужна выпрессовка/запрессовка.

Загиб

Ситуация, возникающая из-за обрыва ремня ГРМ или перескакивания звёздочек цепи, а также её растягивания. Когда это случается, распредвал стопорится, а коленвал продолжает вращаться. Элементы впуска/выпуска опускаются в цилиндр, ударяясь о поршни, которые в этот момент поднимаются. Скорость движения поршней выше, чем у опускающихся тарельчатых механизмов, поэтому стержень ломается или сгибается. ДВС полностью останавливается — если по незнанию завести его и продолжить эксплуатировать, это спровоцирует более серьёзную поломку.

Диагностика неисправности

Определить загиб стержней (поломку) в некоторых случаях можно быстро и без инструментов.

1. Для этого новый ремень устанавливается по меткам, а затем коленвал тихонько прокручивается на 2-5 оборотов. Если вращаться он будет с большим трудом — элементы загнуты.
2. Прислушаться к глушителю и воздушному фильтру. Если сильно шипит из выхлопной системы — проблема с клапанами выпуска. И наоборот — если звук от ВФ, то неисправны впускные устройства.

Выявить поломку удастся также с помощью замера компрессии в цилиндрах — её падение укажет на проблему. Однако компрессометр выявляет лишь факт потери двигателем компрессии. Чтобы найти конкретную причину, мотористы проводят тест. Замеряют сначала компрессию одного цилиндра. Потом заливают в него небольшое количество масла, и повторно замеряют показатель. Если после добавления смазки показатель компрессии увеличивается на 1 атмосферы — неисправность связана с клапанами. А если на 2-3 пункта — это уже износ ЦПГ или залегание колец.

Для более точной диагностики рекомендуется воспользоваться пневмотестером. Это инструмент, выявляющий утечки в цилиндрах и показывающий общее состояние механики в ДВС. Подключается он через маслозаливное отверстие или свечной колодец.

Пневмотестер даёт возможность диагностировать:

• состояние ЦПГ;
• целостность прокладки ГБЦ;
• герметичность надпоршневого пространства цилиндров.

И самое главное — плотность залегания клапанов.

Ещё один способ — вкрутить датчик разряжения (давления) в отверстие масляного щупа, которое соединено напрямую с картером. Второй датчик — синхронизационный, надо установить на первый цилиндр. Далее завести мотор. Во время воспламенения топливной смеси газы начнут прорываться в картер. Тут надо создать диаграмму изменения давления. В том цилиндре, где это происходит резче и больше — что-то, а скорее всего клапан, мешает сдерживать прорыв газов.

Необходимый инструмент

Замена устройств впуска и выпуска подразумевает наличие специализированных инструментов:

• набор гаечных ключей;
• головки;
• отвёртки;
• фиксатор коленвала;
• динамометрический ключ;
• рассухариватель или съёмник пружин (стопорных элементов);
• приспособление для притирки — чтобы не покупать специальное, можно воспользоваться дрелью и куском шланга;
• микрометр — поможет точно замерить диаметр стержня, выявить дефекты;
• специальный ключ для установки натяжного ролика — требуется после обрыва ремня ГРМ, когда проводится установка нового ремня и регулировка натяжения.

Обязательно нужен съёмник маслосъёмных колпачков, если их замена не подразумевается. Конечно, элементы удастся снять и обычными пассатижами, но такой вариант повредит изделия, и в дальнейшем мотор начнёт расходовать большое количество масла. Также удастся вытащить элементы длинной торцевой головкой, но она должна соответствовать диаметру колпачка.

Вдобавок потребуется определённое количество расходных материалов:

• новые маслосъёмные колпачки — если подразумевается их замена;
• прокладки ГБЦ и клапанной крышки;
• герметик;
• пригодные качественные болты для затяжки головки — не должны быть чрезмерно вытянутыми;
• притирочная паста либо порошок, разбавленный с моторным маслом.

Видео

В видео показано, как поменять и притереть клапаны двигателя ВАЗ. Притирка осуществляется мастером с использованием профессионального инструмента, с обязательной расточкой сёдел. Всё описано грамотно и подробно.

Процесс замены

Основательная разборка/сборка системы газораспределения входит в процесс замены клапанов. В зависимости от модели и конструктивных особенностей силовой установки, процедура проходит легко или сложно. Нужно понимать, что неминуем контроль тепловых зазоров, проверка допусков по размерам, адаптация механизмов после снятия/установки.

Ещё один важный момент. Замена прогоревших или погнутых клапанов сама по себе ничего не решит, если не проводится сопутствующая работа. Например, установка новых втулок вместо изношенных старых направляющих. Если этого не сделать, новые тарельчатые устройства начнут болтаться. А при чрезмерном проваливании сёдел, производитель рекомендует не возиться, а поставить новую ГБЦ.

Подготовительные работы

Сначала проводится грамотная подготовка, которую рекомендуется сопровождать записями или фото расположения незнакомых элементов, что сбережёт время и нервы во время обратной сборки:

• обесточить электрическую цепь, скинув минусовую клемму с АКБ;
• отсоединить магистрали подачи технических жидкостей, топлива;
• снять навесное оборудование — дроссельный узел, выпускной коллектор, патрубки, вакуумные трубки.

Чтобы демонтировать головку нужно:

• демонтировать крышку ГБЦ;
• открутить болты крепления;
• вытащить головку блока.

Снятый блок надо промыть и проконтролировать на предмет трещин корпуса. Важно также проверить плотность прилегания клапанов к сёдлам. Для этого надо сначала заглушить окно подачи к термостату на торцевой стороне ГБЦ. Затем перевернуть блок тарелками вверх, налить в полость камеры чистый керосин и подать воздух под давлением (компрессором). По количеству пузырей определяется плотность прилегания.

Распредвал

Дополнительно потребуется демонтировать распределительный вал:

• вывернуть свечи зажигания;

• скинуть приводной ремень;
• вытащить шкив;
• открутить крепежи, удерживающие крышку распредвала;
• вынуть сальники, затем вал.

Клапаны

Снимать стопоры или сухарики надо правильно:

• сначала расшевелить их, чтобы исключить поломку рассухаривателя из-за прикипания — свечную головку поставить на верхнюю часть каждого клапана и бронзовым молотком слегка ударять по ней;
• вдеть рассухариватель и начать вытаскивать стопор каждой тарелки — чтобы снятые сухари удобнее было собирать, надо воспользоваться пинцетом со стержнем из магнита;
• убрать пружины и верхние тарелки;
• вынуть клапаны и колпачки;
• отшлифовать привалочную плоскость блока.

Далее примерить и установить новые запчасти:

• сначала проверить зазор между устройствами впуска/выпуска и втулками — при излишнем люфте, как и было сказано выше, направляющие заменить;
• притереть элементы с помощью пасты и дрели;
• установить новый клапан, стержень которого смазать маслом;
• надеть маслосъёмный колпачок с небольшим усилием до момента его упора в нижнюю тарелку;
• засухарить детали в обратном рассухариванию порядке;
• поставить на место распредвал, прикрутить бугеля;
• установить ГБЦ на блок цилиндров, затянуть нужным моментом и в правильной последовательности.

Притирка делается так. Клапанный стержень и насадка дрели плотно соединяются между собой шлангом, затем возвратно-поступательными движениями с одновременным вращением осуществляется процесс. Угол наклона и необходимые размеры приводятся в руководстве по ремонту конкретного двигателя. Чтобы удостовериться в правильности сделанной работы, следует налить 100 граммов солярки в месте соприкосновения клапана и седла. Если жидкость не протечёт, значит — всё выполнено грамотно и без ошибок.

Рассухаривание — это снятие стопорных элементов. Представляют они собой маленькие металлические сборочные единицы конической формы. Называются сухарями. Их предназначение — не допускать относительного смещения сопряжённых узлов. Обычно делаются из легированной или среднеуглеродистой стали.

Если требуется, настраивается тепловой зазор на ГБЦ. Затем устанавливается крышка, ремень ГРМ. Далее нужно выставить правильно метки, проконтролировать установку, собрать навесное оборудование. Пробный пуск в большинстве случаев сопровождается небольшим стуком — его бояться не нужно, так как это шум не прокаченных ещё гидравлических толкателей. Уже через 1-2 минуты они притрутся, звук исчезнет.

Профилактика

Чтобы не допустить поломки клапанов, рекомендовано придерживаться нескольких правил.

1. Заменять ремень ГРМ в свой срок. Это расходный материал, имеющий определённый ресурс. Для большинства моторов он составляет 100 тыс. км пробега машины, но только при условии, что деталь оригинального производства. Контрафактные изделия рвутся уже на малых пробегах — через 5-7 тыс. километров. Поэтому следить за его состоянием следует как можно чаще.
2. Регулярно проверять работу помпы, которая соприкасается с ремнём в конструкции многих современных автомобилей. Изнашивается насос примерно на тех же пробегах, что и ремень.
3. Следить за состоянием распредвала, который изнашивается на пробеге двигателя от 150 тыс. км и выше. Заклин распределительного вала или поломка обязательно приведёт к обрыву ремня.
4. Проверять состояние натяжного механизма. Как известно, ремень вращается на роликах, тоже подверженных механическому износу. Их надо периодически смазывать, подтягивать, а при необходимости — устанавливать новые.

Требует внимания и цепной привод. Хотя он считается более надёжным, но гнёт клапаны и у него. Либо растягиваются звенья металлической цепи, либо выходит из строя навесное оборудование — успокоители, ролики.

Предотвратить загиб элементов можно также, сделав углубления на головках поршней, соответствующие размерам стержней клапанов. При обрыве ремня или проскоке цепи, стержни войдут в эти самые углубления и останутся там. Однако данный способ имеет недостаток — двигатель потеряет около 7% своей мощности.

Регулировка теплового зазоров клапанов автомобильного двигателя. Где, как и сколько?

Каждый двигатель нуждается в регулировке клапанов минимум один раз в два года. Эта статья поможет вам самостоятельно отрегулировать клапаны и установить правильный тепловой зазор.

Что делают клапаны?

Клапаны являются неотъемлемой частью механизма газораспределения любого двигателя. Распределительный вал, вращаемый с помощью ремня, цепи или шестеренок, коленчатым валом, специальными кулачками открывает и закрывает в нужное время различные клапаны. Во время такта впуска открыты впускные клапаны, во время такта сжатия и работы закрыты все клапаны, во время такта выпуска открыты выпускные клапаны. Через впускные клапаны в двигатель подается воздушно-топливная смесь(карбюраторные и инжекторные двигатели) или воздух(дизельные и прямого впрыска). Во время такта выпуска из камеры сгорания выходят продукты сгорания топлива. Поэтому клапаны сильно нагреваются и увеличиваются в размерах. Тепловой зазор позволяет клапанам работать в оптимальном режиме.

Как устанавливается нужный тепловой зазор?

На сегодняшний день есть лишь три способа регулировки теплового зазора.

Регулировка заменой шайб. Калиброванные шайбы различной толщины позволяют установить нужный тепловой зазор. Регулировка осуществляется подбором нужной толщины шайб.

Как отрегулировать тепловой зазор?

• Тепловой зазор клапанов всегда регулируется на холодном двигателе
• Для большинства двигателей он составляет 0,15-,25 мм для впускных клапанов, и 0,2-0,35 мм для выпускных.

Для того, чтобы отрегулировать клапаны, сделайте следующее:

• Отключите аккумулятор.
• Включите нейтральную передачу.
• Свечным ключом выкрутите все свечи, и накройте свечные отверстия чистой тряпкой, чтобы избежать попадания внутрь цилиндров пыли, грязи, мелких предметов. Свечи можно не выкручивать, но со свечами сложней будет крутить коленчатый вал.
• Снимите клапанную крышку с двигателя.
• Снимите жестяной кожух защиты клапанов(если есть).
• Вращая коленчатый вал ключом(подойдет обычный рожковый ключ, или ключ-трещетка), установите распределительный вал так, чтобы оба кулачка первого цилиндра были приподняты на одинаковую высоту. На двигателях с нижним расположением распределительного вала установите вал так, чтобы оба толкателя клапанов первого цилиндра были максимально подняты.

• Измерьте зазор специальным плоским щупом(продается в любом автомагазине).
• Если тепловой зазор отличается, отрегулируйте.
• Повторите операцию для каждого цилиндра.

Для двигателей с винтовой регулировкой клапанов регулируйте так:

• Двумя ключами(обычно на 10 и 11) ослабьте крепление контргайки.
• Винтом установите нужный зазор.

• Придерживая винт отверткой или ключом, затяните контргайку.
• Проверьте тепловой зазор.

Для двигателей с регулировкой шайбами регулируйте так:

• Измерьте тепловой зазор. Если отличается от необходимого, запишите размер зазора.
• Плоской отверткой утопите клапан, и подставьте специальное приспособление для снятия регулировочных шайб, которое не позволит подняться направляющему цилиндру. При некоторой сноровке это можно делать с помощью второй плоской отвертки.
• Пинцетом достаньте шайбу.

• Найдите на шайбе размер. Обычно он вытравлен на одной из плоских сторон шайбы. Если замер стерт, промерьте шайбу микрометром по самым стертым местам.
• Вычислите нужный размер шайбы.

• Возьмите шайбу нужного размера(есть в большинстве автомагазинов) и установите вместо снятой.

Отрегулировать тепловой зазор клапанов не сложно. Следуйте рекомендациям этой статьи, и у вас все получится.

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Клапанный механизм двигателя, его устройство и принцип работы

Клапанный механизм представляет собой непосредственно исполнительный механизм ГРМ, который обеспечивает своевременную подачу топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя и последующий выпуск выхлопных газов. Ключевыми элементами системы являются клапаны, которые в том числе должны обеспечивать герметичность камеры сгорания. Они испытывают большие нагрузки, поэтому к их работе предъявляются особые требования.

Основные элементы клапанного механизма

Для нормальной работы двигателя требуется как минимум два клапана на цилиндр, впускной и выпускной. Сам клапан состоит из стержня и головки в виде тарелки. Седло — это место контакта головки клапана с головкой блока цилиндров. Впускные клапана имеют больший диаметр головки, чем выпускные. Это обеспечивает лучшее заполнение камеры сгорания топливовоздушной смесью.

Основные элементы механизма:

• впускные и выпускные клапана — предназначены для ввода топливовоздушной смеси и вывода отработанных газов из камеры сгорания;
• направляющие втулки — обеспечивают точное направление движения клапанов;
• пружина — возвращает клапан в исходное положение;
• седло клапана — место контакта тарелки с ГБЦ;
• сухари — служат опорой для пружины и закрепляют всю конструкцию);
• маслосъемные колпачки или маслоотражательные кольца — предотвращает попадание масла в цилиндр;
• толкатель — передает нажатие от кулачка распределительного вала.

Кулачки на распределительном валу давят на клапаны, возврат которых в исходное положение обеспечивается пружиной. Пружина прикреплена к стержню с помощью сухарей и пружинной тарелки. Для гашения резонансных колебаний на стержне могут устанавливаться не одна, а две пружины с разносторонней навивкой.

Направляющая втулка представляет собой цилиндрическую деталь. Она снижает трение и обеспечивает плавную и правильную работу стержня. В процессе эксплуатации эти детали также подвержены нагрузкам и температуре. Поэтому для их изготовления используются износостойкие и жаропрочные сплавы. Втулки выпускных и впускных клапанов немного отличаются друг от друга из-за разницы в нагрузке.

Как работает клапанный механизм

Клапаны постоянно подвергаются воздействию высоких температур и давлений. Это требует особого внимания к конструкции и материалам этих деталей. Особенно это касается выпускной группы, так как через нее выходят горячие газы. Тарелка выпускного клапана на бензиновых двигателях может нагреваться до 800˚C — 900˚C, а на дизельных 500˚C — 700C. Нагрузка на тарелку впускного клапана в несколько раз меньше, но достигает 300˚С, что тоже немало.

Поэтому при их производстве используются жаропрочные металлические сплавы с легирующими добавками. Кроме того, выпускные клапаны обычно имеют полый стержень с натриевым наполнителем. Это необходимо для лучшей терморегуляции и охлаждения тарелки. Натрий внутри стержня плавится, течет и забирает часть тепла от пластины и передает его стержню. Таким образом можно избежать перегрева детали.

Во время работы на седле может образовываться нагар. Чтобы этого не произошло, используются конструкции для поворота клапана. Седло представляет собой кольцо из высокопрочного стального сплава, которое запрессовывается непосредственно в головку блока цилиндров для более плотного контакта.

Кроме того, для правильной работы механизма необходимо соблюдать регламентированный тепловой зазор. Высокие температуры вызывают расширение деталей, что может привести к неправильной работе клапана. Регулировка зазора между кулачками распредвала и толкателями осуществляется подбором специальных металлических шайб определенной толщины или самих толкателей (стаканов). Если в двигателе используются гидрокомпенсаторы, тогда зазор регулируется автоматически.

Очень большой тепловой зазор препятствует полному открытию клапана, и поэтому цилиндры будут менее эффективно заполняться свежей смесью. Небольшой зазор (или его отсутствие) не позволит клапанам закрыться до конца, что приведет к прогару клапана и снижению компрессии двигателя.

Классификация по количеству клапанов

В классической версии четырехтактного двигателя для работы требуется только два клапана на цилиндр. Но к современным двигателям предъявляются все новые и новые требования с точки зрения мощности, расхода топлива и бережного отношения к окружающей среде, поэтому для них этого уже недостаточно. Поскольку чем больше клапанов, тем эффективнее будет заполнение цилиндра новым зарядом. В разное время на двигателях опробовали следующие схемы:

• трехклапанные (впускных — 2, выпускной — 1);
• четырехклапанные (впускных — 2, выпускных — 2);
• пятиклапанные (впускных — 3, выпускных — 2).

Лучшее наполнение и очистка цилиндров достигается за счет большего количества клапанов на цилиндр. Но это усложняет конструкцию двигателя.

Сегодня наиболее популярны двигатели с 4-мя клапанами на цилиндр. Первый из этих двигателей появился в 1912 году на автомобиле Peugeot Gran Prix. В то время это решение не получило широкого распространения, но с 1970 года стали активно выпускаться серийные автомобили с таким количеством клапанов.

Конструкция привода

Распределительный вал и привод ГРМ отвечают за правильную и своевременную работу клапанного механизма. Конструкция и количество распредвалов под каждый тип двигателя подбираются индивидуально. Деталь — это вал, на котором расположены кулачки определенной формы. Когда они проворачиваются, то оказывают давление на толкатели, гидрокомпенсаторы или коромысла и открывают клапаны. Тип схемы зависит от конкретного двигателя.

Распределительный вал расположен непосредственно в головке блока цилиндров. Привод к нему идет от коленчатого вала. Это может быть цепь, ремень или шестеренка. Самый надежный — цепной, но он требует вспомогательных устройств. Например, гаситель колебаний цепи (успокоитель) и натяжитель. Скорость вращения распределительного вала составляет половину скорости вращения коленчатого вала. Таким образом обеспечивается их скоординированная работа.

Количество распредвалов зависит от количества клапанов. Существуют две основные схемы:

• SOHC — с одним валом;
• DOHC — два вала.

Для одного распределительного вала достаточно всего двух клапанов. Он вращается и осуществляет поочередное открытие впускных и выпускных клапанов. Самые распространенные четырехклапанные двигатели имеют два распредвала. Один гарантирует работу впускных клапанов, а другой — выпускных клапанов. Двигатели типа V оснащены четырьмя распредвалами. По два с каждой стороны.

Кулачки распредвала не толкают стержень клапана напрямую. Существует несколько видов «посредников»:

• роликовые рычаги (коромысло);
• толкатели механические (стаканы);
• гидравлические толкатели.

Роликовые рычаги имеют более предпочтительное устройство. Так называемые коромысла, качаются на вставных осях и давят на гидротолкатель. Для уменьшения трения на рычаге предусмотрен ролик, который непосредственно контактирует с кулачком.

В другой схеме используются гидравлические толкатели (компенсаторы зазора), которые расположены непосредственно на стержне. Гидрокомпенсаторы автоматически регулируют тепловой зазор и обеспечивают более плавную и тихую работу механизма. Эта небольшая часть состоит из цилиндра с поршнем и пружиной, масляных каналов и обратного клапана. Гидравлический толкатель работает за счет масла, подаваемого из системы смазки двигателя.

Механические толкатели (стаканы) представляют собой закрытые втулки с одной стороны. Они устанавливаются в корпусе головки блока цилиндров и напрямую передают усилие на стержень клапана. Его основные недостатки — необходимость периодически регулировать зазоры и стуки при работе с непрогретым двигателем.

Шум при работе

Основная неисправность клапана — это стук на холодном или горячем двигателе. Стук на холодном двигателе исчезает после повышения температуры. Когда они нагреваются и расширяются, тепловой зазор закрывается. Кроме того, причиной может быть вязкость масла, которое не течет в нужном объеме в гидрокомпенсаторы. Загрязнение масляных каналов компенсатора также может быть причиной характерного постукивания.

Клапаны могут стучать на горячем двигателе из-за низкого давления масла в системе смазки, грязного масляного фильтра или неправильного теплового зазора. Также необходимо учитывать естественный износ деталей. Неисправности могут быть в самом клапанном механизме (износ пружины, направляющей втулки, гидравлических толкателей и т. д.).

Регулировка зазора

Регулировки производятся только на холодном двигателе. Текущий тепловой зазор определяется специальными плоскими металлическими щупами разной толщины. Для изменения зазора на коромыслах есть специальный регулировочный винт, который проворачивается. В системах с толкателем или регулировочными шайбами регулировка производится путем выбора деталей необходимой толщины.

Рассмотрим пошаговый процесс регулировки клапанов для двигателей с толкателями (стаканами) или шайбами:

1. Снимите клапанную крышку двигателя.
2. Проверните коленчатый вал так, чтобы поршень первого цилиндра оказался в верхней мертвой точке. Если по меткам это сделать сложно, можно открутить свечу зажигания и вставить отвертку в колодец. Ее максимальное перемещение вверх будет мертвой точкой.
3. Используя набор плоских щупов измерьте зазор в приводе клапанов под кулачками, которые не нажимают на толкатели. Щуп должен иметь плотный, но не слишком свободный ход. Запишите номер клапана и значение зазора.
4. Проверните коленчатый вал на один оборот (360 °), чтобы поршень 4-го цилиндра оказался в ВМТ. Измерьте зазор под остальными клапанами. Запишите данные.
5. Проверьте, в каких клапанах зазор находится вне допуска. Если такие есть, подберите толкатели нужной толщины, снимите распредвалы и установите новые стаканы. На этом процедура завершена.

Рекомендуется проверять зазоры каждые 50-80 тысяч километров пробега. Значения стандартных зазоров можно найти в руководстве по ремонту автомобиля.

Обратите внимание, что зазоры впускных и выпускных клапанов могут иногда различаться.

Правильно отрегулированный и настроенный газораспределительный механизм обеспечит плавную и равномерную работу двигателя внутреннего сгорания. Это также положительно скажется на ресурсах двигателя и комфорте водителя.

Как понять, что прогорел клапан: причины, признаки и последствия

Клапаны газораспределительного механизма автомобильных двигателей используются на четырёхтактных моторах и расположены в головке блока. Через них происходит впуск рабочей смеси и сброс отработанных газов. Тарелки клапанов имеют конические фаски и плотно притёрты к гнёздам, что проверяется на утечки при сборке мотора. Малейшая негерметичность ведёт к пропуску газов и потере компрессии.

Как определить прогар клапана

Прогорают обычно выпускные клапаны, которые в открытом состоянии омываются потоком раскалённых отработавших газов, нагреваясь до потери прочности и быстрого окисления жаропрочной стали их тарелок. В запущенных случаях это сопровождается ещё и трещинами в металле.

Впускные разрушаются редко, поскольку количество проходящих выхлопных газов здесь намного меньше по объёму, к тому же через них проходит относительно холодный поток свежей смеси (воздуха) в дизельных двигателях и бензомоторах с непосредственным впрыском топлива. Это хорошо охлаждает тарелки в дополнение к отводу тепла через гнездо.

С точки зрения симптомов, появляющихся после прогара, особой разницы, какой именно клапан прогорел, нет. Компрессия, то есть способность цилиндра сжимать смесь перед воспламенением, пропадёт или уменьшится в любом случае.

Симптомы

Поскольку клапаны редко прогорают одновременно во всех цилиндрах, то первым признаком станет «троение» мотора. Этот термин возник по причине преобладающей доли четырёхцилиндровых моторов, когда при отказе одного двигатель работает на трёх оставшихся. Так стали называть любое прекращение воспламенения в цилиндре, независимо от их общего количества.

Компрессия, если она не пропала полностью, особенно важна на малых оборотах и при запуске. В этих режимах прогоревший клапан себя и проявит в первую очередь. Снятие свечи покажет почернение изолятора, возможен запах бензина, если ЭБУ двигателя ещё не отключил соответствующую форсунку.

Сводный перечень симптомов носит достаточно типовой характер:

• пропуски воспламенения в одном из цилиндров;
• быстрое забрасывание свечи несгоревшими углеводородами;
• выстрелы в глушитель, часть топлива выбрасывается на выпуск и воспламеняется там;
• запах бензина в картере, несгоревшее топливо стекает по стенкам цилиндра и растворяется в масле, после чего снова проходит через вентиляцию и обогащает смесь в исправных цилиндрах;
• компрессия сильно падает, иногда до нуля.

Именно замер компрессии даст сигнал к переборке мотора. Следует отличать проблемы с поршневыми кольцами от прогоревшего клапана.

Обычно проводится дополнительная проверка путём вливания примерно 5 мл моторного масла через свечное отверстие. Если компрессия вырастает – виноваты кольца (так называемая масляная компрессия), если нет – газы уходят через клапаны или пробитую прокладку, но всё равно головку придётся снимать, после чего всё станет ясно и наглядно.

Прогар клапана прекрасно видно по состоянию его фасок.

Почему прогорают клапана двигателя (основные причины)

В обычном режиме клапан некоторое время находится в гнезде, будучи плотно прижат к ответной фаске клапанной пружиной. При этом он интенсивно охлаждается через контакт фаски с металлом гнезда. Перепад температур здесь велик, поэтому теплообмен идёт быстро.

Двигатель рассчитывается очень точно, поэтому любая из причин повышения температуры тарелки клапана нарушит баланс отвода тепла, и средняя температура начнёт расти. Металл потеряет свои свойства, начнётся быстрое окисление и прогар.

Детонация

Детонация возникает при активации аномального горения распространяющимся фронтом пламени. Способствуют этому многие причины:

• плохие антидетонационные свойства бензина (октановое число ниже того, на которое рассчитан двигатель);
• слишком высокая степень сжатия;
• переобеднение смеси;
• высокая температура в камере сгорания;
• увеличенный угол опережения зажигания.

При детонации энергия больше расходуется на ударные разрушения деталей и локальные перегревы, что относится и к клапанам. Вопрос лишь в том, какая деталь разрушится раньше, после чего двигатель остановится.

Нарушение теплового зазора

Клапаны, особенно выпускные, нагреваются при работе сильнее, чем металл хорошо охлаждаемой головки блока. Поэтому геометрическое увеличение их размеров за счёт теплового расширения требует компенсации.

В конструкциях мотора с нежелательным удлинением стержня клапана борются двумя способами – созданием тепловых зазором между кулачком распределительного вала и толкателем, а также применением различных гидрокомпенсаторов.

Тепловые зазоры требуют периодических регулировок имеющимися болтами или подбором толщины толкателей. Если эта операция долго не проводилась, то за счёт износа рабочих фасок тарелок и гнёзд зазоры уменьшаются, клапан всё больше времени проводит в отрыве от металла гнезда, куда он должен сбрасывать тепло.

Температура клапана растёт, он ещё больше удлиняется. На каком-то этапе фаски перестают соприкасаться, тарелки перегреваются и прогорают. Компрессия пропадает.

Влияние позднего и раннего зажигания

На прогар могут повлиять отклонения момента зажигания от оптимального в обе стороны.

При позднем зажигании смесь не успевает сгорать, растёт температура газов на выхлопе. Эти газы, продолжая выделять тепло, обтекают тарелку клапана, повышая его температуру.

Раннее зажигание способствует детонационному горению, результат будет тем же, хотя физика явления иная, поэтому в двигателе имеется система отслеживания детонации, постоянно поддерживающая полное сгорание смеси в нормальном режиме, регулируя момент подачи искры.

Одновременно корректируется и состав топливной смеси, соответствующие карты зашиты в программном обеспечении ЭБУ.

Причины горения клапанов на бензиновом ДВС

Основная причина здесь – отклонение горения смеси от оптимального режима. Медленно горят как слишком бедная, так и богатая смеси. В любом случае будет наблюдаться рост температуры тарелки клапана со всеми вытекающими последствиями.

При бедной смеси ситуация усугубляется наличием избыточного кислорода, что создаст тот же эффект, что и при кислородной резке металлов.

Перегревать тарелку будет и слишком хороший бензин, то есть с октановым числом выше, чем то, на которое рассчитан двигатель.

Высокоооктановый бензин также сгорает медленнее, перегревая детали выпускной системы. Это хорошо известно владельцам старых автомобилей, рассчитанных на бензины, которых уже давно нет в продаже. Приходится повышать их степень сжатия, чтобы не допускать перегревов.

Почему начинают прогорать клапана после установки ГБО

Газ имеет очень высокое октановое число, на которое моторы не рассчитаны. Даже если правильно отрегулировать смесь, температура выпускных клапанов будет выше, чем при эксплуатации на штатном бензине. Отсюда повышенный износ сёдел и необходимость в частой регулировке тепловых зазоров.

Если эту операцию пропустить, то клапан «зависнет», то есть перестанет закрываться и быстро прогорит. Но даже если имеются гидрокомпенсаторы, то при работе в условиях постоянного перегрева искажается правильная геометрия рабочих фасок. Ухудшается охлаждение, а запаса по температурной стойкости уже нет.

Часто ГБО оказывается недостаточно точно отрегулировано. Стремясь к экономии, смесь переобедняют, она очень медленно горит, температура растёт, мощность падает.

Вместе с необходимостью увеличивать тепловые зазоры этот фактор надо учитывать при установке ГБО на не предназначенные к тому моторы.

Прогар клапана на дизельном моторе

Принципиальной разницы в причинах прогара между дизелями и бензиновыми моторами нет, отличия сводятся к особенностям неисправностей топливной аппаратуры. У дизелей старой и новой школ она организована разными способами.

Общими являются только проблемы с форсунками, которые могут вызывать отклонения в количестве цикловой подачи за счёт перелива или наоборот, малой производительности.

Особенностью старых моторов могут быть нарушения в работе механических автоматов опережения впрыска, играющего примерно ту же роль, что и опережение зажигания в бензомоторах. У современных дизелей это отслеживается куда точнее и надёжнее. Но при этом наиболее эффективные моторы на тяжёлом топливе очень критичны к составу смеси из-за использования турбонаддува.

Возможна излишне жёсткая работа, изменяющая тепловой режим и подвергающая камеры сгорания нештатным ударным нагрузкам.

Последствия

Начавший пропускать газ клапан будет постепенно разрушаться. Это может привести к поломкам прочих деталей, стенок цилиндра, поршня, колец. Несгоревший бензин приведёт к порче катализатора, а попав в масло, сильно поменяет его свойства, что может вывести из строя вкладыши и коленвал.

Двигатель будет вибрировать, разрушая навесную арматуру и крепления силового агрегата. Мощность упадёт, расход вырастет.

Можно ли ездить

Ездить с потерей компрессии крайне нежелательно. Своевременный ремонт минимизирует последствия, сохранив двигатель в целом.

Все его детали и системы прочно связаны в процессе работы, нарушение этого баланса приведёт к лавинообразному росту разрушений. Вместо замены клапанов и устранения причины прогара потребуется капитальный ремонт двигателя.

Сколько стоит устранить проблему

Цена услуги по устранению прогара очень сильно зависит от марки и модели автомобиля, причины отказа, уже наступивших последствий, а также общего состояния двигателя.

Потребуется снять головку блока и перебрать её, заменив клапаны, возможно их сёдла и направляющие, сальники и произведя притирку тарелок к гнёздам. В простых случаях можно уложиться примерно в 6000 рублей, но и эта цифра не несёт никакой полезной информации.

Дело в том, что при вскрытии любого двигателя может выявиться масса проблем с весьма трудоёмкими решениями. Ослабшие и сорванные резьбы, нарушенная геометрия стыка головки с блоком, дефектные гидрокомпенсаторы и многое другое.

Предсказать это заранее невозможно. Отсюда очень важно обращаться за ремонтом к проверенным специалистам с хорошей репутацией. Неграмотно или поспешно проведённый ремонт может дать обратный эффект. Как и установка деталей, не обладающих требуемым качеством.