Клапаны двигателя - это механические компоненты, используемые в двигателях внутреннего сгорания, чтобы разрешить или ограничить поток жидкости или газа в камеры сгорания или цилиндры и из них во время работы двигателя. Функционально они работают аналогично многим другим типам клапанов в том, что они блокируют или пропускают поток, однако они представляют собой чисто механическое устройство, которое взаимодействует с другими компонентами двигателя, такими как коромысла, для открытия и закрытия в правильной последовательности и с правильный выбор времени.
Термин «клапан двигателя» может также относиться к типу обратного клапана, который используется для впрыска воздуха как часть систем контроля выбросов и рециркуляции выхлопных газов в транспортных средствах. Этот тип клапана двигателя не рассматривается в этой статье.
Клапаны двигателей являются общими для многих типов двигателей внутреннего сгорания, независимо от того, работают ли они на таком топливе, как бензин, дизельное топливо, керосин, природный газ (СПГ) или пропан (LP). Типы двигателей различаются количеством цилиндров, которые представляют собой камеры сгорания, вырабатывающие энергию от воспламенения топлива. Они также различаются типом работы (2-тактный или 4-тактный) и конструктивным размещением клапанов внутри двигателя [верхний клапан (OHV), верхний кулачок (OHC) или клапан в блоке (VIB)]. .
В этой статье будет кратко описана работа клапанов двигателя в типичных двигателях внутреннего сгорания, а также представлена информация о типах клапанов, их конструкции и материалах. Дополнительную информацию о других типах клапанов можно найти в нашем соответствующем руководстве «Общие сведения о клапанах».
Номенклатура клапанов двигателя
Большинство клапанов двигателя сконструированы как клапаны тарельчатого типа из-за их толкающего движения вверх и вниз и имеют головку клапана конического профиля, которая прилегает к механически обработанному седлу клапана, чтобы перекрыть проход жидкостей или газов. Их также называют грибовидными клапанами из-за характерной формы головки клапана. На рисунке 1 показана номенклатура различных элементов типичного клапана двигателя.
Схема, показывающая номенклатуру тарельчатого клапана.
Рисунок 1 - Номенклатура стандартного тарельчатого клапана двигателя.
Изображение предоставлено: https://dieselnet.com
Двумя основными элементами являются шток клапана и головка клапана. Головка содержит галтель, ведущий к поверхности седла, которая обрабатывается под определенным углом, чтобы соответствовать механической обработке седла клапана, с которым она будет соответствовать. Посадка поверхности клапана на седло клапана - это то, что обеспечивает уплотнение клапана против давления сгорания.
Шток клапана соединяет клапан с механическими элементами в двигателе, которые приводят в действие клапан, создавая силу для перемещения штока против давления посадки, создаваемого пружиной клапана. Стопорная канавка используется для удержания пружины в нужном положении, а кончик штока клапана многократно контактирует с коромыслом, толкателем или толкателем, приводящим в действие клапан.
Работа двигателя
В четырехтактных или четырехтактных двигателях внутреннего сгорания используются два основных типа клапанов - впускной и выпускной. Впускные клапаны открываются, чтобы позволить потоку топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя перед сжатием и воспламенением, в то время как выпускные клапаны открываются, чтобы обеспечить удаление выхлопных газов из процесса сгорания после воспламенения.
При нормальной работе коленчатый вал двигателя, к которому прикреплены поршни, связан с распределительным валом как часть механизма клапана для двигателя. Движение коленчатого вала передает движение распределительному валу через цепь привода ГРМ, ремень ГРМ или другой зубчатый механизм. Синхронизация и совмещение между положением коленчатого вала (которое определяет положение поршня в цилиндре) и положением распределительного вала (которое определяет положение клапанов для цилиндра) имеют решающее значение не только для максимальной производительности двигателя, но и для предотвращения столкновения поршней и клапанов в двигателях с высокой степенью сжатия.
Во время впускного цикла поршень впускного цилиндра опускается вниз при открытии впускного клапана. Движение поршня создает отрицательное давление, которое помогает втягивать топливно-воздушную смесь в цилиндр. Сразу после того, как поршень достигает самого нижнего положения в цилиндре (известного как нижняя мертвая точка), впускной клапан закрывается. В цикле сжатия впускной клапан закрывается, чтобы изолировать цилиндр, когда поршень поднимается в цилиндре в наивысшее положение (известное как верхняя мертвая точка), что сжимает топливно-воздушную смесь до небольшого объема. Это действие сжатия служит для обеспечения более высокого давления на поршень при воспламенении топлива, а также для предварительного нагрева смеси, чтобы способствовать эффективному сгоранию топлива. В энергетическом цикле воздушно-топливная смесь воспламеняется, что создает взрыв, который заставляет поршень вернуться в самое нижнее положение и передает химическую энергию, высвобождаемую при сжигании топливно-воздушной смеси, во вращательное движение коленчатого вала. В цикле выпуска поршень снова поднимается вверх в цилиндре, в то время как впускной клапан остается закрытым, а выпускной клапан теперь открыт. Давление, создаваемое поршнем, помогает вытеснять выхлопные газы из цилиндра через выпускной клапан в выпускной коллектор. К выпускному коллектору подсоединены выхлопная система, набор труб, в который входит глушитель для снижения акустического шума и система каталитического нейтрализатора для управления выбросами при сгорании двигателя. Как только поршень достигает верха цилиндра в цикле выпуска, выпускной клапан начинает закрываться, а впускной клапан начинает открываться, начиная процесс снова. Обратите внимание, что давление в цилиндре на впуске помогает держать впускной клапан открытым, а высокое давление в цикле сжатия помогает удерживать оба клапана закрытыми.
В двигателях с несколькими цилиндрами одни и те же четыре цикла повторяются в каждом из цилиндров, но в определенной последовательности, чтобы двигатель демонстрировал плавную мощность и сводил к минимуму шум и вибрацию. Последовательность движения поршня, клапана и зажигания достигается за счет точной механической конструкции и электрического хронирования сигналов зажигания к свечам зажигания, которые воспламеняют топливно-воздушную смесь.
Движение клапана двигателя
Движение клапанов двигателя приводится в действие распределительным валом двигателя, который содержит ряд кулачков или кулачков, которые служат для создания линейного движения клапана за счет вращения распределительного вала. Количество кулачков на распределительном валу равно количеству клапанов в двигателе. Когда распределительный вал находится в головке блока цилиндров, двигатель называется конструкцией с верхним распредвалом (OHC); когда распределительный вал находится в блоке цилиндров, двигатель называется конструкцией с верхним расположением клапанов (OHV). Независимо от конструкции двигателя, основное движение клапанов двигателя происходит за счет движения кулачка против подъемника или толкателя, который создает силу, которая давит на шток клапана и сжимает пружину клапана, тем самым снимая натяжение пружины, которое удерживает клапан в закрытое положение. Это движение штока клапана поднимает клапан над седлом в головке цилиндра и открывает клапан. Как только распределительный вал поворачивается дальше и кулачок перемещается так, что эксцентриковая часть больше не находится в непосредственном контакте с толкателем или толкателем, давление пружины закрывает клапан, поскольку шток клапана перемещается по центрической части кулачка.
Поддержание надлежащего клапанного зазора между штоком клапана и коромыслом или кулачком чрезвычайно важно для правильной работы клапанов. Необходим некоторый минимальный зазор для расширения металлических деталей при повышении температуры двигателя во время работы. Конкретные значения зазора варьируются от двигателя к двигателю, и несоблюдение надлежащего зазора может иметь серьезные последствия для работы и производительности двигателя. Если зазор клапанов слишком велик, то клапаны откроются позже, чем оптимально, и закроются раньше, что может снизить производительность двигателя и увеличить шум двигателя. Если зазор клапана слишком мал, клапаны не закроются полностью, что может привести к потере сжатия. Гидравлические подъемники клапана являются самокомпенсирующимися и могут устранить необходимость в регулировке зазора клапана.
Современные двигатели внутреннего сгорания могут использовать различное количество клапанов на цилиндр в зависимости от конструкции и области применения. Меньшие двигатели, такие как те, которые используются в газонокосилках, могут иметь только один впускной клапан и один выпускной клапан. В двигателях более крупных транспортных средств, таких как 4-, 6- или 8-цилиндровые двигатели, может использоваться четыре клапана на цилиндр, а иногда и пять.
Материалы клапанов двигателя
Клапаны двигателя являются одним из компонентов двигателей внутреннего сгорания, которые подвергаются высоким нагрузкам. Необходимость надежной работы двигателя диктует, что клапаны двигателя должны быть способны проявлять устойчивость к многократному и непрерывному воздействию высокой температуры, высокого давления из камеры сгорания, а также механических нагрузок и напряжений, обусловленных динамикой двигателя.
Впускные клапаны двигателей внутреннего сгорания подвергаются меньшим тепловым нагрузкам из-за охлаждающего воздействия поступающей воздушно-топливной смеси, которая проходит через клапан во время цикла впуска. Выхлопные клапаны, напротив, подвергаются более высокому уровню термической нагрузки, поскольку находятся на пути выхлопных газов во время выхлопного цикла двигателя. Кроме того, тот факт, что выпускной клапан открыт во время цикла выпуска и не контактирует с головкой блока цилиндров, означает, что меньшая тепловая масса поверхности сгорания, а головка клапана имеет больший потенциал для быстрого изменения температуры.
Впускные клапаны из-за более низких рабочих температур обычно изготавливаются из таких материалов, как хром, никель или вольфрамовая сталь. В выпускных клапанах с более высокими температурами могут использоваться более жаропрочные металлы, такие как нихром, кремний-хром или кобальт-хромовые сплавы.
Поверхности клапана, которые подвергаются более высоким температурам, иногда становятся более прочными за счет приваривания к поверхности клапана стеллита, который представляет собой сплав кобальта и хрома.
Другие типы материалов, используемых для изготовления клапанов двигателя, включают нержавеющую сталь, титан и сплавы трибалой.
Кроме того, могут применяться покрытия и обработка поверхности для улучшения механических свойств и характеристик износа клапанов двигателя. Примеры этого включают хромирование, фосфатирование, нитридное покрытие и завихрение.
Типы клапанов двигателя
Помимо характеристики клапанов двигателя по функциям (впускной или выпускной), существует несколько конкретных типов клапанов двигателя, которые существуют в зависимости от конструкции и материалов. К основным типам клапанов двигателя относятся:
Монометаллические клапаны двигателя
Биметаллические клапаны двигателя
Полые клапаны двигателя
Монометаллические клапаны двигателя, как следует из их названия, изготавливаются из единого материала, который образует как шток клапана, так и головку клапана. Эти типы клапанов двигателя обладают высокой термостойкостью и обладают хорошими антифрикционными свойствами.
Биметаллические клапаны двигателя, также известные как биметаллические клапаны двигателя, изготавливаются путем соединения двух разных материалов вместе с использованием процесса сварки трением для создания клапана, который имеет аустенитную сталь на головке клапана и мартенситную сталь для стержня клапана. Свойства каждой из этих сталей служат оптимальному назначению: аустенитная сталь на головке клапана обеспечивает жаропрочность и коррозионную стойкость, а мартенситная сталь для штока клапана обеспечивает высокую прочность на растяжение и стойкость к абразивному износу.
Полые клапаны двигателя - это специальный биметаллический клапан, который содержит полую полость, заполненную натрием. Натрий сжижается при повышении температуры клапана и циркулирует за счет движения клапана, что помогает рассеивать тепло от более горячей головки клапана. Полая конструкция обеспечивает лучшую теплопередачу через шток, чем у сплошных клапанов, поскольку мартенситный материал штока является лучшим проводником тепла, чем аустенитный материал головки. Полые клапаны особенно подходят для использования в современных двигателях, которые обеспечивают большую мощность за счет более компактных и плотных двигателей с более высокими температурами выхлопных газов, с которыми твердые клапаны не справляются. Эти более высокие температуры выхлопных газов являются результатом нескольких условий, в том числе:
Стремление к процессу сжигания обедненной смеси, который снижает выбросы парниковых газов
Конструкции двигателей с более высокой степенью сжатия и более высоким давлением сгорания, которые обеспечивают большую эффективность
Интегрированные конструкции коллектора, поддерживающие турбокомпрессоры, для повышения производительности двигателя от небольших двигателей
Есть несколько других типов конструкций клапанов двигателя. Так называемые золотниковые клапаны состоят из трубки или втулки, которая находится между стенкой цилиндра и поршнем и которая скользит или вращается с приводом от распределительного вала, как и другие клапаны двигателя. Перемещение золотникового клапана приводит к тому, что отверстия, прорезанные во втулке, выравниваются с соответствующими отверстиями в стенке цилиндра в различных точках цикла двигателя, таким образом, функционируя как простой впускной и выпускной клапан двигателя без сложностей, связанных с коромыслами и подъемниками.
Характеристики клапана двигателя
Типовые клапаны двигателя определяются параметрами, указанными ниже. Обратите внимание, что эти данные предназначены для информационных целей, и имейте в виду, что параметры, используемые для определения клапанов двигателя, могут варьироваться от производителя к производителю. Понимая спецификации, покупатели получают больше возможностей для обсуждения своих конкретных потребностей с поставщиками клапанов двигателя.
