От чего зависит количество клапанов на двигателе. Клапанный механизм
Это деталь двигателя и одновременно крайнее звено газораспределительного механизма. Клапанная группа включает в себя: пружину, направляющую втулку, седло, механизм крепления пружины. Все эти детали работают в тяжёлых механических и тепловых условиях, испытывая колоссальные нагрузки.
Сопряжение седло-клапан, подвергается наибольшему воздействию высоких температур и ударных нагрузок. Кроме того, детали постоянно испытывают недостаток в смазке по причине высоких скоростей работы. Это вызывает их интенсивный износ.
Некоторые производители начали искать альтернативы приведению в действие клапана. Один из самых известных - десмодромный. Система, в которой сам вал управления отвечает за открытие и закрытие клапанов. Для выполнения обоих движений есть разные кулачки и качалки. Концепция довольно простая, но достижение. Это намного сложнее.
Вы можете подумать, что этот знаменитый производитель был первым и единственным, кто использовал концепцию десмодромной команды для соревнований, а затем вывел ее на улицы. Но поскольку наш след здесь не автомобильная история, давайте вернемся к тому, что имеет значение. Десмодромные команды запускают клапан через рокер, но коэффициент их умножения очень низок. По этой причине профиль управления обычно имеет более высокий подъем, что увеличивает тенденцию к износу.
Требования, предъявляемые к группе:
- Герметичность работы клапана в сопряжении с седлом;
- Высокий коэффициент обтекаемости, при входе и выходе рабочей смеси из камеры сгорания;
- Небольшой вес деталей группы;
- Детали должны быть высокопрочными и одновременно жёсткими;
- Стойкость к высоким температурам;
- Эффективная теплоотдача клапанов;
- Высокое сопротивление механическим и ударным нагрузкам;
- Противодействие коррозии.
Назначение и особенности устройства
Назначение клапана, открывать и закрывать отверстия в головке блока цилиндров для выпуска отработанных газов либо впуска новой рабочей смеси. К основным элементам детали относятся головка и стержень. Переход от стержня к головке служит для плавного отвода газов, чем он плавней, тем лучше будет наполнение, либо очистка камеры сгорания.
Итак, что ограничивает этот тип диска? Максимальное ускорение сборки определяется геометрией и, следовательно, ее механическим сопротивлением. Из-за их необычных форм рокеры в конечном итоге страдают от сильного стресса, который, если он плохо управляется, приводит к преждевременной усталости системы.
На рисунке ниже показаны основные моменты стресса. Десмодромная система имеет огромные преимущества, но когда мы говорим о стратосферных режимах вращения, другая система берет на себя инициативу. В этом отношении пневматические пружины по-прежнему непреодолимы. Большим преимуществом этой системы является линейное увеличение нагрузки пневматической пружины, чем более сжата камера, тем больше создается противодействующая сила. Он работает так же, как эта старая шутка на шприце. Накройте выход пальцем и попытайтесь полностью сжать плунжер.
Отработанные газы, выходя из камеры сгорания, создают сильное избыточное давление, а чем меньше площадь тарелки клапана, тем меньшие нагрузки он испытывает, вот почему выпускной клапан двигателя делается меньшего диаметра, а требования к нему выше. Так, при работе, головка выпускного клапана нагревается до 800-900.°С на бензиновых двигателях и до 500-700°С на дизельных моторах, впускной, нагревается до 300°С.
Эта линейность в сочетании с чрезвычайно низкой инерцией воздуха заканчивает отмену возможности флуктуации клапана. Как показано на рисунке выше, в сборке имеется небольшой набор пружин предварительной нагрузки, которые будут поддерживать минимальную силу, так что сборка не будет ослабляться, когда двигатель не работает. Но, как мы уже говорили, реальный заряд исходит из воздуха, содержащегося в камере. Еще одной особенностью этой системы является возможность регулировки нагрузки по требованию. То есть начальное давление внутри камеры может регулироваться в соответствии с режимом работы.
Именно по этим причинам при изготовлении выпускных клапанов нужны сплавы и материалы, обладающие повышенной жаропрочностью и содержащие большое количество легирующих присадок. Клапана делают из 2-х частей: головку из жаростойкого материала, стержень из углеродистой стали. Для изготовления клапана ДВС эти заготовки сваривают и шлифуют.
Это давление может варьироваться от 8 до 11 бар. При этом потери на трение теряются, и лошадь, которая не пропадает зря, идет на счет динамометра. Нередко обнаруживается разница в 12 л.с. между металлической и пневматической пружинной системой. Вопреки тому, что думают некоторые люди. Эта сборка все еще управляется обычным управлением клапаном. Но тип используемого профиля отличается. С характеристиками большей линейности и более низкой инерции можно использовать команды с гораздо более агрессивными скоростями ускорения.
Это означает, что среднее отверстие клапана больше, поэтому для заполнения цилиндра требуется меньше времени. Все это приводит к более линейному крутящему моменту и подаче питания, что чрезвычайно важно, когда вы почти полностью преодолеваете ограничение сцепления с шинами. Недостатки этой системы заключаются в необходимости дополнительного набора давления. Обычно имеется цилиндр под давлением, который пневматически снабжает пружины. В более сложных случаях имеется компрессор и сосуд высокого давления для подачи множества пружин.
Выпускные клапана, в месте контакта с цилиндром, покрывают твёрдым сплавом. Толщина сплава порядка 1,5-2,5 мм. Такое покрытие позволяет избежать коррозии.
По причине меньших нагрузок при изготовлении впускных клапанов используют хромистые или хромоникелевые стали со средним содержанием углерода. При вводе рабочей жидкости в камеру сгорания, топливо отводит часть температуры от клапана и его составляющих, из-за чего температурные перепады у него ниже.
Инновации вчера, сейчас и завтра
Это добавляет массу к транспортному средству, так же, как это больше подходит для потребления лошадей. Возможно, вы заметили, что обычные настройки негибкие. Если вы выиграете в группе, вы неизбежно потеряете с другой стороны. Консервативный профиль, который обеспечивает хороший крутящий момент при низких оборотах. Но это будет задушить работу в более высоких режимах. Противоположное также верно, агрессивный профиль убьет двигатель на низком уровне и будет высоким. Поэтому, чтобы компенсировать этот качели, производители создали системы с почти чудесными акронимами.
На эффективность работы клапана большое влияние оказывает его форма. Чем более она обтекаемая, тем выше скорость входящего или выходящего заряда смеси. Чаще всего головку клапана делают плоской, для облегчения изготовления детали, удешевления её производства и сохранения жёсткости.
Однако, в двигателях, испытывающих повышенные нагрузки, например, форсированных, в связи со спецификой самого двигателя применяют впускные клапана с вогнутыми головками. Такое устройство уменьшает массу детали и инерционную силу, возникающую при работе.
Лео уже говорил о своих принципах работы. Целью этих систем является увеличение рабочего диапазона двигателя и, следовательно, его гибкость в использовании. Таким образом, мы делаем клапанные события более благоприятными для каждой ситуации. С увеличением технологии, внедренной на транспортные средства, эволюция наборов переменных, очевидно, также будет частью всего этого процесса. Таким образом, гибкость производительности еще больше увеличилась. Система использует электрогидравлические приводы для изменения срока службы и открытия клапана, так что двигатель получает гибкость при работе в гораздо большем диапазоне.
Стыковка клапана с седлом осуществляется по тонкому ободку на поверхности головки цилиндров - фаске. Стандартный угол наклона фаски впускных клапанов составляет 45°, у выпускных 45° или 30°. При изготовлении головок цилиндра фаски шлифуют, а затем, при установке клапана, каждый притирают к седлу. Ширина ободка должна быть не менее 0,8мм.
Этот и другие технологии уже были рассмотрены Лео. В следующих статьях мы поговорим о наддувом. Как сделал двигатель нашего шестнадцатого века? Конечно, мы открываем капот и видим его, но точно знаем, как это делается? Начнем с технического описания. Головка цилиндра выполнена из алюминия в корпусе только для двух цилиндров с направляющими из чугуна и седлами клапанов. Он также имеет оребрение для увеличения поверхности охлаждения. Распределение осуществляется с двумя клапанами в головке на цилиндр.
Впускной и выпускной каналы получают непосредственно в головке. Распределительный вал чугуна размещен в основании. передача движения к клапанам осуществляется с помощью стержней и коромысел, приводимых в движение цепью. Два поршня шестнадцатого века изготовлены из алюминиевого сплава с 3 эластичными кольцами и скребком. Шатуны изготовлены из чугуна и подшипников тонкой оболочки из антифрикционного сплава. Коленчатый вал выполнен из специального чугуна с 360-градусными кривошипами, противовесом и опирается на две опорные стойки из алюминиевого сплава.
Ободок не должен прерываться по всему периметру окружности тарелки клапана. Сочленение между клапаном и седлом нужно уплотнить наверняка, вот зачем угол фаски клапана, по наружной стороне фаски, делают меньше угла седла на 0,5-1°.
В некоторых двигателях, для большей сохранности изделия, применяют устройство принудительного вращения клапана. В процессе работы на фасках откладывается нагар, нарушается уплотнение, появляются механические повреждения, это резко снижает эффективность работы мотора. Проворачиваясь, клапан ДВС распределяет нагрузку равномерно по всей поверхности фаски и принудительно очищает ее.
Коленчатый вал представляет собой кабель для прохода масла. Бензиновый насос механический, диафрагма приводится в действие штифтом, управляемым эксцентриковым валом распределения. Смазка принудительно осуществляется с помощью шестеренного насоса, расположенного в крышке распределителя, и имеет предохранительный клапан. Если вы ищете масляный фильтр, он центробежный и расположен на передней части двигателя.
Охлаждение воздуха и гарантируется конвейером, соединенным с центробежным вентилятором, установленным на той же оси динамо. Все регулируется механическим термостатом. Воздушный поток также транспортируется под масляным поддоном, чтобы смазка охлаждалась. Передача движения от шкива, закрепленного на приводном валу до динамо-шкива и, следовательно, вентилятора, выполняется с помощью трапециевидного ремня.
После фаски головки, у клапана имеется специальный поясок, в виде цилиндра. Эта конструктивная особенность позволяет уберечь его от перегрева и обгорания, а так же делает головку более жёсткой. Кроме того, при притирке, диаметр клапана остаётся прежним.
Пружинное стопорное кольцо предотвращает падение клапана в камеру сгорания двигателя, в случае, если элементы крепления хвостовика поломаются.
При соприкосновении с кулачком распределительного вала, или коромыслом, торцы клапана подвергаются большим нагрузкам. Поэтому для предания им жёсткости и износостойкости, их закаливают, или надевают на них специальные колпачки из высокопрочных сплавов.
Впускные клапана снабжают специальными резиновыми маслосъёмными колпачками, для предотвращения попадания через зазор масла в камеру сгорания в период такта впуска.
Выпускные клапана, работая в экстремальных температурных режимах, могут заклинить в отверстии направляющей втулки. Что бы этого не произошло, их стержни делают меньшего диаметра вблизи головки, по сравнению с поверхностью на остальной длине.
Сухарики, удерживающие клапанные пружины, держатся за сам клапан при помощи крепления, обеспеченного выточками.
Диаметр стержня выпускных клапанов больше диаметра стержня впускных, головка клапана - меньше. Такой конструктивный приём позволяет отвести от клапана больше тепла и понизить его температуру. Однако этот приём увеличивает сопротивление потока газов, делая очистку камеры сгорания менее эффективной. При расчётах, этот параметр сложно узнать, поэтому им пренебрегают, считая давление при выпуске большим, чем давление при впуске, что компенсирует недостаток с лихвой.
Для увеличения эффекта охлаждения выпускного клапана внутри его делают пустотелым. Пустое пространство заполняют металлом с низкой температурой плавления, обычно жидким натрием. Нагреваясь от головки клапана, пары жидкого натрия поднимаются в верхнюю, боле холодную часть, забирая большую часть тепла с собой. Там они соприкасаются с менее нагретой частью стержня и отдают тепло ей.
Пружины клапана
Пружина работает в условиях больших нагрузок. Основная её задача заключается в создании надёжной и плотной стыковки клапана и седла. Испытывая нагрузки, пружина может сломаться, зачастую это происходит по причине вхождения её в резонанс. С целью предотвращения этого явления, витки пружины делают с переменным шагом.
Так же можно изготовить коническую или двойную пружину. Двойные пружины обладают дополнительным плюсом, так как наличие двух деталей повышает надёжность механизма и уменьшает общий размер пружин.
Дабы исключить возможность резонанса в двойной пружине, направление витков внутренней и внешней пружин делают разными. Так же это позволяет удержать обломки детали, в случае поломки пружины, осколки задержатся между витками.
Пружины для клапанов изготавливают из проволоки, материал которой - сталь. После придания формы, изделие закаляют и подвергают отпуску. Для повышения прочности, обдувают воздухом с добавлением абразивного материала.
Что бы избежать коррозии, пружины обрабатывают оксидом цинка или кадмия. Концы пружин шлифуют и придают им плоскую форму. Это делается для более эффективной фиксации торцов пружин со специальными неподвижными тарелками в блоке цилиндров. Тарелки изготавливают из стали с низким содержанием углерода, верхнюю тарелку фиксируют на клапане при помощи сухарика.
Втулки клапанов и их направляющие
Отвод тепла от стержня клапана и его перемещение в возвратно поступательной плоскости обеспечивают направляющие втулки. В процессе работы сами втулки подвергаются воздействию высоких температур, омываясь горячими отработанными газами. При возвратно поступательном движении клапана между ним и поверхностью втулки возникает трение. Если смазки поступает не достаточно, то трение идёт практически на сухую.
Именно по этой причине к материалу втулок применяют ряд требований, таких, как: стойкость к износу, высоким температурам, трению. Некоторые составы чугуна, алюминиевая бронза, керамика обладают всеми свойствами, необходимыми для создания детали, удовлетворяющей таким требованиям.
Для впускных клапанов, в связи с разницей в температуре нагрева, зазоры между направляющей втулкой и стержнем делаются меньше. Нижнюю часть втулки делают под конус для предотвращения заклинивания клапана.
Выточки под клапана (седла)
Долговечность и правильная работа двигателя внутреннего сгорания напрямую зависят от качества изготовления выточки под клапана. При неправильной стыковке клапана и седла не будет обеспечиваться должная герметичность камеры сгорания, и скорый выход мотора из строя неизбежен. Седла изготавливают непосредственно в головке цилиндра, в данном случае речь идёт о чугунных головках. Либо делают их вставными, из стали, например, в алюминиевых головках.
Вставные седла удерживаются в головке путём запрессовки, или развальцовки.
Количество клапанов в двигателе
Когда речь заходит о клапанах, многие задаются вопросом: «сколько клапанов в двигателе должно быть?» Однозначного ответа нет, определить чёткое количество можно только изучив конструктивные особенности мотора. Учитывая, что в четырёхтактной силовой установке клапан осуществляет такты впуска и выпуска, значит минимальное количество на один цилиндр - два, один впускной и один выпускной.
Современные силовые установки наиболее часто используют конструкцию с четырьмя клапанами (двух впускных и двух выпускных) на каждый цилиндр. При открытии клапана в образовавшееся отверстие происходит заброс топливной смеси, или выход отработанных газов. Чем больше отверстие, тем эффективней будет наполнение или очистка. Соответственно коэффициент полезного действия мотора так же увеличится.
Увеличить отверстие за счёт увеличения тарелки клапана нельзя, поскольку её размер ограничен размером камеры сгорания. Поэтому для улучшения качества смесеобразования устанавливают большее количество клапанов на один цилиндр.
Встречаются схемы, в которых применяются два, три, и даже пять клапанов на цилиндр. Учитывая, что процесс наполнения более важен для работы двигателя, количество впускных клапанов в нечётных схемах всегда больше.
Двигатель хорош только тогда, когда он может дышать. Ограничишь поток воздуха – твой двигатель начнет кряхтеть и терять мощность. Таким образом, дизайн ГРМ играет важнейшую роль в оптимизации мощности и эффективности двигателя. В современном мире существует четыре типа систем:
Верхнее расположение клапана (OHV)
Одинарный верхний распределительный клапан (SOHC)
Двойной верхний распределительный клапан (DOHC)
По 2,3,4 или 5 клапанов на цилиндр
Верхнее расположение клапана (OHV)
Тут все просто: клапаны располагаются над головкой блока цилиндров. Такая система используется как правило на двигателях со штанговыми толкателями в приводе клапанов, в которых распредвал устанавливается значительно ниже.
Достоинства:
Для двигателей V-компоновки, установка распредвала внутрь блока двигателя является отличной экономией места в сравнении с другими системами ГРМ. Это помогает снизить центр тяжести и освободить пространство под прочие ништяки. Возможно, это даже поможет поставить более продвинутую подвеску, или подвинуть движок назад для улучшения распределения веса
Хоть тут и используются некоторые дополнительные запчасти, в сравнении с DOHC их значительно меньше. Вместо использования четырех распредвалов для двигателя V8, вам будет достаточно всего одного.
Недостатки:
Большинство двигателей со штанговыми толкателями использует два клапана на цилиндр вместо четырех, что значительно ограничивает поток воздуха на высоких оборотах.
Клапаны, как правило, настолько велики, что из-за них невозможно установить центральную свечу зажигания, как в случае с использованием четырех клапанов. Соответственно, процесс внутреннего сгорания идет менее эффективно.
Возвратно-движущая масса сильно портится
Необходимы более прочные клапанные пружины, поэтому порой происходит неполное закрытие клапанов, что влечет за собой невозможность развития высоких оборотов.
Одинарный верхний распределительный клапан (SOHC)
Установка распредвала наверх решает массу проблем. Четыре клапана на цилиндр – гораздо более простая схема, которая имеет массу преимуществ.
Достоинства:
Хороший поток воздуха на высоких оборотах
Возможность использования системы двух клапанов на цилиндр
Дешевле и проще, чем DOHC
Распредвал находится сверху, доступ к нему всегда открыт, что делает ремонт и обслуживание гораздо проще.
Недостатки:
Не использует поток воздуха на полную
Те же недостатки, что и у OHV, если используется 2 клапана на цилиндр
Крупный размер
Двойной верхний распределительный клапан (DOHC)
Добавление еще одного распредвала позволяет с легкостью установить по четыре клапана на цилиндр. С двумя распредвалами на каждом блоке цилиндров, клапаны впуска и клапаны выхлопа контролируются отдельными валами.
Достоинства:
Легко установить 4 клапана на цилиндр
Независимый контроль клапанов впуска и выхлопа
Настраиваемый ход клапана позволяет регулировать поток воздуха
Распредвалы расположены ближе, чем в системе OHV.
Недостатки:
Цена и сложность
Крупный размер
По 2,3,4 или 5 клапанов на цилиндр
За всю историю, производители пытались экспериментировать с различным количеством клапанов на цилиндр. На данный момент самой популярной является система DOHC с четырьмя клапанами на цилиндр. Некоторые продолжают использовать систему OHV.
2 клапана
Чем меньше подвижных частей, тем, как правило, лучше. Однако, в данном случае клапаны являются слишком тяжелыми, и требуют более жестких пружин. Это ограничивает поток воздуха. Крутящий момент на низких оборотах, как правило, хорош, а вот на высоких все более печально.
3 клапана
Вполне привычная система для SOHC – два впускных и один выхлопной клапан на цилиндр. Тут поток воздуха на высоких оборотах гораздо круче, чем в OHV.
4 клапана
Чем больше клапанов, тем больше воздуха на высоких оборотах. Клапана легче, пружины мягче, словом, отличная система.
5 клапанов
Чем больше, тем лучше, да ведь? Добавьте еще по одному впускному клапану, и ваш движок вдохнет полной грудью. Так почему же не поставить по 6, 15, 20 клапанов на цилиндр? Все дело в цене и сложности таких систем. Кроме того, можно понять, что и надежностью они отличаться не будут, вы только представьте, сколько там подвижных частей. В ближайшее время большинство автомобилей будет выпускаться с четырьмя клапанами на цилиндр.
