Элементы механизма газораспределения. Клапана предназначены для впуска в цилиндры свежей смеси и выпуска отработавших газов.

Клапана предназначены для впуска в цилиндры свежей смеси и выпуска отработавших газов.

Клапаны работают в тяжелых условиях, подвергаясь действию высоких температур, давлению газов, сил упругости пружин и сил инерции деталей механизма. Наиболее тяжелым периодом работы является выпуск отработавших газов из цилиндров, когда температура газов превышает 900–1100° С, а скорость истечения более 400–600 м/сек.

Рис. 4.6. Клапаны, направляющие втулки и седла клапанов:

1 – седло клапана; 2 – головка клапана (плоская); 3 – стержень клапана; 4 – направляющая втулка; 5,6 – сёдла клапанов в теле чугунной головки; 7 – клапан с выпуклой головкой; 8 – клапан с тюльпанообразной головкой; 9 – клапан с натриевым охлаждением; 7’ – направляющая втулка без ограничителя; 8’ – направляющая втулка с внешним ограничительным буртиком; 9’ – направляющая втулка с канавкой под ограничительное кольцо

Вследствие ограниченного отвода теплоты головки выпускных клапанов нагреваются в бензиновых двигателях до 800–850° С, а в дизелях до 100–600° С. Это может привести к выгоранию рабочей поверхности выпускного клапана и к его короблению вследствие перекоса клапана, к коррозии рабочей поверхности, к попаданию на опорную поверхность (между гнездом и рабочей поверхностью) крупинок нагара, частиц металла и т. п. Впускные клапаны работают в более легких условиях.

Выпускные клапаны в бензиновых двигателях изготовляют из сталей ЭСХ8, Х9С2, Х10СМ, Х12Н7С, ЭН107 и ЭЯ2. С целью экономии жаропрочные материалы в ряде двигателей применяют только для головок клапанов, а стержни делают из сталей 40Х или 40ХН, затем эти детали сваривают. Для повышения коррозионной стойкости выпускных клапанов и уменьшения износа рабочей поверхности на нее и на головку клапана со стороны цилиндра наплавляют слой твердого сплава ВЗК (на кобальтовой основе), сормайта (на железной основе) или стеллита (60% Ni и 15% Сг) толщиной 1,5–2,5 мм.

С целью снижения температуры выпускных клапанов и повышения их надежности, а также для уменьшения требований к октановому числу топлива, применяется так называемое натриевое охлаждение, то есть клапан выполняется с полостью в тарелке и стержне, которая частично заполняется натрием. При нагреве натрий плавится и, перемещаясь от тарелки в стебель, способствует их охлаждению.

Впускные клапаны изготовляются из высоколегированных сталей X45CrSi93, X80CrNiSi20, X80CrMoW152 и др. путем горячей штамповки. Торец стержня клапана подвергают термообработке на высокую твердость (до 55НRC) c глубиной закаленного слоя 2,5…3,0 мм. С целью снижения массы впускных клапанов их часто выполняют тюльпанообразной формы.

Установка нескольких впускных клапанов позволяет не только увеличить их суммарное проходное сечение, но и уменьшить динамические нагрузки на привод клапанного механизма за счет снижения массы каждого клапана и уменьшения их максимального хода. Кроме того, применение двух выпускных клапанов позволяет снизить их температуру за счет лучшего теплоотвода при меньшем диаметре тарелки клапана.

Дополнительно увеличить проходное сечение всех четырех клапанов (два впускных и два выпускных) в полусферической камере сгорания удается при их наклонной установке. Однако вследствие существенного усложнения конструкции механизма привода данные системы встречаются редко. В двигателях с непосредственным впрыском бензина и наддувом их охлаждение достигается увеличением фаз перекрытия клапанов и продувкой камеры сгорания. Наилучшие условия для воздушного потока на входе в цилиндр достигаются в двигателях «Мицубиси» за счет вертикального расположения воздушного канала при наклонном положении клапанов.

4.3.1. Сёдла клапанов, направляющие втулки и пружины

Седла клапанов подвергаются циклическим резко изменяющимся механическим и тепловым нагрузкам при ограниченной смазке и воздействию агрессивных сред. Они повышают износостойкость рабочей фаски в головке цилиндров и облегчают ее ремонт. Их изготовляют из серых перлитовых чугунов СЧ 24–48, стали 45. Охлаждаемое в жидком азоте седло устанавливают в гнездо нагретой головки. Наружная поверхность седла имеет форму обратного конуса, благодаря чему предотвращается его выпадение из гнезда при нагреве на работающем дизеле.

Рис. 4.6. Уплотнение стержня клапана:

1 – уплотнительная манжета; 2 – браслетная пружина; 3 – стальной каркас

Направляющие сменные втулки клапанов повышают износостойкость сочленения стержня клапана и его направляющей при их недостаточной смазке, а также облегчают ремонт узла. Втулки запрессовывают в отверстия головки цилиндров. Их изготовляют из чугуна, порошкового материала или из биметалла с бронзой в несущем слое. Для уменьшения протечки масла в зазор между втулкой и стержнем впускного клапана под действием разрежения во впускном канале, на верхний конец втулки устанавливают уплотнительную манжету из маслостойкой резины, синтетического или фторкаучука с oбжимaющeй eё браслетной пружиной (рис. 4.6). Для лучшего центрирования уплотняющего пояска манжеты относительно стержня клапана в нее вулканизируют стальной каркас.

Клапанные пружины (рис. 4.7) должны обеспечить плотную посадку клапана на седло, а также препятствовать разрыву кинематической цепи кулачок - клапан, для чего сила пружин должно быть больше сил инерции клапана и движущихся с ним частей механизма газораспределения. Для пружин применяют специальную пружинную проволоку диаметром 3–5 мм из сталей 60Г, 65Г, 50ХФХ и П1. Детали крепления тарелки, пружины и стержня клапана (сухари, чеки) изготовляют из сталей 40, 45, 12НЗА и чугуна СП-4Ф и др.

Рис. 4.7. Клапанные пружины:

а – цилиндрическая с постоянным шагом навивки; б, в – цилиндрическая с переменным шагом навивки; г – конусная

Под пружины ставятся стальные шайбы, чтобы предотвратить износ алюминиевых головок цилиндров и фиксировать взаимное положение пружин. В некоторых двигателях пружины опираются на механизм, обеспечивающий поворот клапана на небольшой угол при каждом его ходе. Тарелка клапана закрепляется на его стебле при помощи двух сухарей с конической поверхностью.

В зоне высоких частот вращения коленчатого вала возникают резонансные колебания пружины, приводящие к нарушению работы механизма и поломке пружин. Наиболее эффективным способом предотвращения резонанса пружин является установка внутри основной пружины дополнительной пружины из плоской ленты, выполняющей функцию демпфера. Пружины имеют разное направление навивки, чтобы в случае поломки одной из них ее витки не попали между витков другой пружины. Для смещения резонансных явлений в сторону высоких частот вращения на многих двигателях применяются конические пружины или пружины с переменным шагом.