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.