Что такое выпускной клапан двигателя

Что такое выпускной клапан двигателя

ДЕТАЛИ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ЗИЛ-130

Выпускные клапаны двигателя ЗИЛ-130 — часть 1

В современных автомобильных двигателях выпускные клапаны являются самыми высоконагруженными элементами конструкции. Температура головки клапана может достигать 800—940° С. Ускорения движения клапана составляют 200—400 g при нормальных зазорах в механизме и резко возрастают при их увеличении. Среда, в которой работает выпускной клапан, является весьма агрессивной, вызывающей интенсивную коррозию. При применении бензина каталитического крекинга в продуктах сгорания содержатся окислы ванадия, вызывающие, как известно, интенсивную коррозию почти всех жаропрочных материалов. В продуктах сгорания этилированного бензина содержатся окислы свинца и бромистые соединения, вызывающие коррозию металлов при высоких температурах. При работе двигателя на обедненных смесях свободный кислород в отработавших газах также способствует высокотемпературной коррозии. Используемые в современных маслах металлоорганические присадки в некоторых случаях обладают высокой коррозионной активностью и вызывают разрушение фаски клапана при работе двигателя с большой нагрузкой.

Основная тенденция в развитии автомобильных двигателей — непрерывный рост степени сжатия. При этом повышаются давления в цилиндре и, как следствие, возрастают нагрузки на головку клапана от сил газов и утечка газов через клапаны из-за большей деформации их головок под действием давления в цилиндре. Несмотря на то что с повышением степени сжатия температура выпускного клапана несколько уменьшается (примерно на 20° С при увеличении степени сжатия на одну единицу) вследствие снижения температуры отработавших газов, имеются случаи, когда клапаны, удовлетворительно работавшие при степени сжатия 6,5, оказываются непригодными для степени сжатия 8,0.

Наиболее горячие участки выпускного клапана — средняя часть головки на стороне, обращенной в камеру сгорания, и участок стержня клапана непосредственно под его головкой; наиболее холодный участок — торец стержня клапана. Разность температур наиболее горячих и холодных участков клапана может достигать 450—500° С.

Температура выпускного клапана зависит от состава смеси. Опыты показывают, что наивысшая температура соответствует а — 1,03-=-1,05. При обогащении смеси температура клапана снижается. Поскольку температура выпускного клапана зависит от состава смеси, на эту температуру значительное влияние оказывают атмосферные условия, так как при изменении последних изменяется состав смеси, подаваемой карбюратором.

Вследствие того что на выпускные клапаны действуют большие температуры и высокие механические нагрузки, а также агрессивная рабочая среда, к материалам этих клапанов предъявляются

Жесткие требования. Основные из этих требований следующие: высокая прочность и твердость при всех рабочих температурах; большая ударная вязкость как при высоких, так и при низких температурах, в том числе и отрицательных (до —30° С); значительная антикоррозионная стойкость, так как в отработавших газах содержатся окислы свинца, ванадия и серы, а также металлоорганические компоненты присадок масла и, кроме того, неорганические кислоты, образующиеся при пуске холодного двигателя; хорошая сопротивляемость тепловым ударам; способность образовывать прочную пленку окислов, не разрушающуюся при рабочих температурах и нагрузках; высокие теплопроводность при возможно меньшем коэффициенте линейного расширения и износостойкость рабочих поверхностей клапана; хорошие технологические свойства; небольшая стоимость.

Материала, который мог бы полностью удовлетворить всем этим требованиям, в настоящее время еще не найдено, поэтому при проектировании выпускных клапанов используют конструктивные методы (комбинирование различных материалов, введение специальных покрытий и т. п.), чтобы по возможности максимально выполнить приведенные выше требования.

В качестве материалов для выпускных клапанов карбюраторных двигателей применяют ферритно-мартенситные и аустенитные стали, стали с сигма-фазой и специальные сплавы на нежелезной основе, такие как сплав Нимоник 70, ХН77ТЮР (ЭИ437Б) и т. д. Характерной особенностью всех этих сталей и сплавов является большое содержание хрома — основного элемента, который при высокой температуре придает сталям стойкость против коррозии, а также повышает их прочность. Однако содержание хрома свыше 25% нецелесообразно (сталь становится хрупкой).

В практике отечественного двигателестроения для изготовления выпускных клапанов применяются следующие стали: 4Х10С2М (ЭИ 107), ЭИ72, 4Х14Н14В2М (ЭИ69), ЭИ240, ЭИ992, ЭП9, ЭП48, ЭПЗОЗ и некоторые другие. Химический состав этих сталей приведен в табл. 14. Наиболее прочной является сталь ЭПЗОЗ. Временное сопротивление на разрыв этой стали при температуре 800° С достигает 31 кгс/мма. Аналогичная сталь используется и в зарубежных автомобильных двигателях под маркой 21-4 N и 21-4 NS для изготовления неохлаждаемых выпускных клапанов.

Выпускные клапаны могут быть неохлаждаемые и охлаждаемые. В охлаждаемых клапанах стержень, а иногда частично и головку делают пустотелыми. Эти полости примерно на 1/2—2/3 заполняют металлическим натрием, имеющим низкую температуру плавления (97,7° С) и высокую температуру кипения (883° С), вследствие чего при рабочих температурах выпускных клапанов он находится в жидком состоянии и давление его паров невелико. Натрий имеет небольшую плотность и высокую теплопроводность в жидком состоянии. Кроме того, он хорошо смачивает практически любые стали.

14. Химический состав некоторых отечественных сталей

Благодаря свободному объему во внутренней полости выпускного клапана жидкий натрий резко перебрасывается от головки к стержню и передает тепло от нагретой головки стержню и затем направляющей втулке. Натрий перемещается со значительной скоростью относительно стенок внутренней полости, поэтому коэффициент теплопередачи большой и температурное поле клапана выравнивается. Для выпускных клапанов, охлаждаемых металлическим натрием, используют, как правило, менее жаропрочные стали, чем сталь ЭПЗОЗ, поскольку температура наиболее нагретых зон такого выпускного клапана на 100—150° С ниже, чем неохлаждаемого.

В двигателе ЗИЛ-130 выпускной клапан изготовлен из стали ЭИ992. Сталь такого типа, обычно используемая для изготовления охлаждаемых клапанов, за рубежом выпускается под марками ХВ, Еп-59 и т. д.

Сталь ЭИ992 хорошо закаливается. Торец стержня выпускного клапана закален до твердости HRC 55, не менее. Твердость стержня и головки клапана находятся в пределах HRC 30—35. Стержень клапана, так же как и участок криволинейной поверхности подголовка, шлифуют. Для улучшения изностостойкости и противозадирных свойств рабочий участок стержня покрыт электролитическим способом тонким слоем хрома (0,002—0,007 мм).

Канавку под сухари не хромируют, чтобы избежать сколов.

Клапан имеет отверстие в стержне диаметром 7,0 мм и глубиной 80 ±1,0 мм и грибообразную полость в головке объемом 3 см3. В полости находится 1,85 г металлического натрия. Сверление отверстия в стержне и обработка полости в головке клапана производится со стороны головки. После заправки натрием полость в головке закрывают заглушкой, изготовленной также из стали ЭИ992. Заглушку приваривают к головке с помощью контактной электросварки. Глубину сварочного шва про-веряют на полностью обработанном клапане с помощью ультразвука. Исследования показали, что минимальная ширина сварочного шва для обеспечения надежной работы клапана должна быть не менее 1,2 мм.

Впускные и выпускные клапаны: размер имеет значение

Если вы разрабатываете головку блока цилиндров для получения максимальной мощности, то не будет никаким сюрпризом, что основной целью является максимальный поток. Это, кроме всего прочего, требует использования клапанов большего размера, которые могут быть физически установлены в камеры сгорания. Это требует решения, как лучше всего разделить имеющееся пространство между впускными и выпускными клапанами. Другими словами, что лучше: большой впускной и маленький выпускной клапан, оба клапана одинакового размера или большой выпускной и маленький впускной клапан? Прежде всего, можно подумать, что большой выпускной клапан — это тот путь, которым нужно идти; ведь отработанные газы, без сомнения, занимают больший объем, чем газы, втянутые в цилиндр через впускную систему. Однако, когда мы касаемся мощности, действует другое «железное» правило: легче опустошить цилиндр, чем наполнить его.
Годы экспериментов показали, что оптимальный размер выпускного клапана должен составлять примерно около 75% от впускного или, если точнее, поток через него должен составлять примерно 75% потока через впускной клапан. Это правило применяется только тогда, когда диаметры комбинируемых клапанов равны общему имеющемуся пространству в камере, т.е. клапаны почти касаются друг друга, как часто бывает в гоночных двигателях. Если используются клапаны с размерами, меньшими, чем максимальные, а мощность не является основной целью, то баланс между потоками впускного и выпускного каналов не так критичен.

Самое простое правило, которому нужно следовать: если основным требованием является мощность, то следуйте нормальному соотношению 0,75:1. Это правило можно изменить в тех случаях, когда двигатель оснащен системой турбонаддува или впрыска закиси азота. Для этих систем требуется обеспечение большего потока выхлопных газов и может успешно использоваться соотношение диаметров выпускного и впускного клапанов, составляющее 0,9:1 (поток выхлопных газов составляет 90% от потока впускаемой смеси) или даже больше.

К сожалению, установка увеличенных выпускных клапанов имеет «ловушку», которая обычно не связана с увеличением размеров впускных клапанов. Водяная рубашка внутри головки блока цилиндров расположена рядом с седлами выпускных клапанов. Это помогает поддерживать клапаны и седла холодными, но часто препятствует установке клапанов максимального размера. Вдобавок, тонкие отливки и большое количество тепла (побочный продукт высокой мощности) могут привести к образованию трещин в седлах, и это обычно укорачивает срок службы головки блока.

Замечание. Когда главной целью конструктора является экономия, а не мощность, размер выпускного клапана может быть увеличен до соотношения 0,75:1 даже при увеличении диаметра впускного клапана. Когда поток выпускного канала увеличивается, то пробег и срок службы двигателя будут улучшены. Однако здесь есть предел, как и во всем. Выпускные клапаны, размер которых превышает 90 — 95% от размера впускного клапана, дают очень маленькую дополнительную топливную экономию, и так как они используют пространство, обычно отдаваемое впускным клапанам, то потенциал по мощности будет уменьшен.

Влияние негерметичных выпускных клапанов

При восстановлении своих клапанов я заметил, что 4 из 6 выпускных клапанов на одной стороне двигателя V6 протекали после притирки, и мне пришлось их восстанавливать. Я определил это, выполнив тест на воду . Я предполагаю, что они протекали даже раньше (IOW, что утечка не была результатом плохой притирки), что звучит правдоподобно, потому что выхлопные отверстия выглядели как беспорядок, прежде чем я их почистил. Тот факт, что ни один из протекающих впускных клапанов не протекал, привел меня к выводу, что выпускные клапаны потребляют больше тепла, поэтому им, скорее всего, потребуется переналадка.

Но каковы некоторые последствия негерметичных выпускных клапанов? Например, я прошел полную прокладку головки и процедуру восстановления клапана, потому что мой двигатель перегрелся, и прокладки головки перегорели. Мои предположения были из-за зависания термостата, который вызывал перегрев. Но могло ли это быть из-за негерметичных выпускных клапанов?

При нормальном использовании (использование неэффективного типа) клапаны, как впускные, так и выпускные, должны работать в течение всего срока службы двигателя. Если и когда они действительно протекают, это не займет много времени, чтобы клапан стал сгоревшим клапаном. В вашем случае я сомневаюсь, что они протекали до того, как все разобрали. Если бы вытекшие выпускные клапаны, они были бы зажарены. Если клапаны не установлены правильно, они не будут передавать тепло через головку, как это должно быть, и станут очень горячими, вызывая синдром «сгоревшего клапана». Чтобы это произошло, двигателю потребовалось бы не 5 лет, а месяцы, если не недели, чтобы он действительно начал вызывать у вас проблемы (если не меньше времени).

Даже если бы выпускные клапаны протекали, это не вызвало бы проблему перегрева, с которой вы столкнулись. Клапаны передают тепло в головку посредством правильной посадки. Если они сидят неправильно, вы бы испытали меньше тепла, попадающего в головки при перемещении клапана. Кроме того, вы видели более низкое сжатие в поврежденных цилиндрах из-за выпадения воздуха во время такта сжатия (небольшое выпадение, пока клапан не сильно обгорел, но тем не менее выпадало). Из-за этой потери динамического сжатия вы бы не увидели как хорошую мощность, исходящую от этого цилиндра, так и снижение температуры. Это сокращение не было бы большим, но все равно было бы не оптимальным.

При нормальном использовании клапаны вращаются так, как они используются (не вращаются, как вращается верх, но они вращаются). Это действие обеспечивает, что они не сидят на месте, помогает очистить сидения и лица, что помогает ему продолжать сидеть в течение всей своей жизни.

Я не думаю, что ваши выпускные клапаны протекли из-за плохой работы на коленях, но, вероятно, неполной работы на коленях после того, как вы перепутали свои клапаны. Я уверен, что если бы они были вставлены в те же отверстия, из которых они вышли, у ваших клапанов не было бы никаких проблем вообще. Когда вы очищаете свои клапаны во время процесса восстановления, даже если вы можете держать клапаны в одном и том же положении, притирка не является плохой идеей для улучшения уплотнения.

Клапана газораспределения

Постоянно на складе и под заказ впускные и выпускные клапана газораспределения судовых двигателей:

клапан впуска 4Ч 8,5/11
клапан выпуска 4Ч 8,5/11
клапан впуска 6Ч 9,5/11
клапан выпуска 6Ч 9,5/11

клапан впускной 4Ч 10,5/13
клапан выпускной 4Ч 10,5/13
клапан впускной 6Ч 12/14
клапан выпускной 6Ч 12/14

клапан впускной 3Д6/Д12
клапан выпускной 3Д6/Д12

клапан впускной 6ЧН 18/22
клапан выпускной 6ЧН 18/22

клапан впускной 6ЧН 25/34
клапан выпускной 6ЧН 25/34

клапан впускной 6Ч 23/30
клапан выпускной 6Ч 23/30
клапан впускной Г60 (6ЧН 36/45)
клапан выпускной Г60 (6ЧН 36/45)

клапан впускной 6S 160
клапан выпускной 6S 160

Клапаны (впускной клапан, выпускной клапан) – детали двигателя, служащие для периодического открывания и закрывания отверстий впускных и выпускных каналов в зависимости от положения поршней в цилиндре и от порядка работы двигателя.

Клапаны расположены в головке цилиндров под углом к вертикальной оси цилиндров. Стальной впускной клапан изготовлен цельным, а выпускной состоит из двух частей, соединённых в заготовке сваркой. Верхняя часть клапана — его стержень — изготовлена из стали, имеющей высокую износостойкость, нижняя часть стержня и головка выпускного клапана сделаны из термостойкой стали.

Уплотнительной поверхности клапанной головки приходится входить в соприкосновение с клапанным седлом до 70 раз в секунду. Возникающие при этом динамические усилия, а также силы клапанных пружин и давление воспламенения представляют собой весьма серьезное испытание для этих деталей.

Особенно сильному нагреву подвергается выпускной клапан: отработанный газ имеет температуру до 800°С. В течение того короткого времени, пока рабочие поверхности входят в соприкосновение друг с другом, необходимо осуществить максимальную передачу тепла с клапанного седла на головку цилиндра.
Правильный выбор впускных/выпускных клапанов
Выбор материала

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

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

Угол седла клапана обычно определяется производителем двигателя, хотя измерить его можно в любой мастерской. Даже если в распоряжении мастерской имеется гидростенд, лучше не испытывать судьбу и следовать рекомендациям производителя относительно угла седла, поскольку его значение имеет огромное значение. При обработке седла клапана необходимо уделять особое внимание точности. Для того, чтобы контактная поверхность седла соприкасалась с нужной точкой фаски клапана и имела требуемую ширину (1,15 – 1,5 мм), седло должно быть обработано под несколькими углами. Профессионально обработанные седла (как показано на рисунке 1) могут существенно повысить мощность двигателя. При измерении углов нужно быть внимательным, в некоторых двигателях, как, например, у показанного на рисунке 2 двигателя Honda S2000, имеют место сужающиеся углы.
Обработка нижней части головки клапана – полировка

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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