Механизм газораспределения. Пожарная профилактика - комплекс организационных и технических мероприятий, направленных на обеспечение безопасности людей

Рис. 3. ГРМ двигателя ЗМЗ-4063:1 – поршень; 2 – прокладка головки блока цилиндров; 3 – впускной клапан; 4 – впускной трубопровод; 5 – головка блока цилиндров; 6 – распределительный вал впускных клапанов; 7 – гидротолкатели; 8 – распределительный вал выпускных клапанов; 9 – крышка головки блока цилиндров; 10 – масломерный щуп; 11 – выпускной коллектор; 12 – выпускной клапан.

 

На фотографиях (рис. 4-7) представлены разрезы двигателей с различным исполнением ГРМ. Для снижения потерь на трение в ГРМ сейчас широко применяются ролики, размещаемые на рычагах и толкателях привода клапанов (рис. 6 и 7).

 

Рис. 4. В данной конструкции двигателя клапаны открываются непосредственно цилиндрическим толкателем, приводимым в движение кулачком распределительного вала.

Рис. 5. Клапанное коромысло поворачивается непосредственно под действием гидравлического толкателя, приводимого в движение кулачком распределительного вала.

 

Рис. 6. Клапаны открываются одноплечным рычажным коромыслом, которое обеспечивает такое же передаточное число, как и клапанное коромысло.

Рис. 7. Замена трения скольжения трением качения путем применения в клапанном механизме роликов дает возможность уменьшить потери на привод клапанов.

 

 

3.2. Распределительный вал

 

Главная функция распределительного вала (рис. 8) – управление клапанным механизмом. Форма или профиль кулачков распределительного вала является основным фактором, определяющим рабочие характеристики двигателя. Кулачки распределительного вала открывают клапаны, преодолевая сопротивление пружин. Посредством кулачков вращательное движение распределительного вала преобразуется в поступательное движение клапанов.

Рис. 8. Распределительный вал с кулачками, выполненными как одно целое с валом.

 

Двигатели, идентичные во всем, за исключением формы вершин кулачков распределительного вала, могут обладать совершенно разными рабочими характеристиками и мощностью.

 

Рис. 9. Различные по форме вершины кулачков двух распределительных валов, предназначенных для одного и того же восьмицилиндрового V-образного двигателя: слева – стандартный распределительный вал; справа – распределительный вал форсированного двигателя.

На рис. 9 показаны два распределительных вала с отличающимися по форме вершинами кулачков.

Профиль кулачка должен обеспечивать плавное перемещение клапана, достаточно быстрое его открытие и закрытие при допустимых для нормальной работы силах инерции.

Кулачки делают как одно целое с распределительным валом. Для уменьшения трения и износа их поверхность тщательно обрабатывается (цементуется, закаливается или азотируется и шлифуется).

В качестве подшипников для распределительных валов применяют подшипники скольжения, залитые баббитом или свинцовистой бронзой.

 

3.2.1. Конструкция распределительного вала

 

Распределительный вал представляет собой цельную литую деталь с кулачками, опорными шейками, упорными фланцами ведущих звездочек и местами для шестерен привода вспомогательных агрегатов. Шестерни на валу фрезеруются модульными фрезами. Кулачки и шейки вала подвергаются механической обработке для придания им заданной формы. Остальная часть поверхности распределительного вала механически не обрабатывается (рис. 10).

 

Рис. 10. Элементы конструкции распределительного вала и кулачка распределительного вала.

 

В двигателях с верхним расположением клапанов и нижним расположением распределительного вала диаметр опорных шеек распределительного вала должен быть больше высоты кулачка, чтобы распределительный вал можно было установить в двигатель через посадочные гнезда подшипников в опорах блока.

В конструкциях двигателей с верхним расположением распределительного вала опорные подшипники распределительного вала крепятся крышками. В таких конструкциях распределительный вал имеет большие кулачки и опорные шейки малого диаметра.

В некоторых конструкциях опорные подшипники распределительного вала имеют последовательно уменьшающийся, от передней к задней опорной шейке, диаметр. Однако в большинстве двигателей все опорные подшипники распределительного вала имеют одинаковый диаметр.

Распределительные валы автомобильных двигателей, работающие с толкателями, которые имеют плоскую или выпуклую форму днища, изготавливаются как правило, из закаленного легированного чугуна. Он обладает высокой износостойкостью и необходимой прочностью. Чрезвычайно высокая твердость распределительного вала делает его очень подверженным сколам в результате краевых нагрузок или неосторожного обращения.

Чугунные распределительные валы имеют практически одинаковую твердость по всему объему. Перешлифованный вал должен быть подвергнут фосфатированию поверхности.

Стальные распределительные валы проходят высокочастотную закалку. Она заключается в нагреве распределительного вала в высокочастотном поле (за счет возбуждения в металле индукционных токов) до вишневого цвета и принудительном охлаждении в масле. Быстрое охлаждение вызывает поверхностную закалку изделия. Упрочение распределительных валов может также осуществляться с использованием следующих технологий: азотирование в жидкой среде, азотирование в газовой среде.

Типичные значения твердости для распределительных валов находятся в диапазоне от 42 до 60 по шкале «С» Роквелла.

Если поверхностный слой изнашивается, вершины кулачков быстро стираются и кулачки превращаются практически в цилиндрические кольца. Пример такого износа показан на рис. 11. На рис. 12 показан восстановленный распределительный вал.

 

Рис. 11. Распределительный вал с кулачками, износившимися почти до цилиндрической формы.

Рис. 12. Изношенный распределительный вал восстановлен: вершины кулачков наварены, и с помощью механической обработки восстановлены исходные профили.

 

Распределительный вал смешанной конструкции представляет собой полую трубчатую ось, на которой запрессованы кулачки, изготовленные из закаленной стали (рис. 13).

 

Рис. 13. Распределительный вал смешанной конструкции.

 

Распределительный вал такой конструкции изготавливается следующим образом. После юстировки кулачков на пустотелой стальной трубе через нее протягивается стальной шар, который распирает трубу и прочно запрессовывает на ней кулачки в заданных положениях.

 

На распределительном валу находится косозубая шестерня привода масляного насоса и распределителя зажигания. Часто распределительный вал отливается с эксцентриковым кулачком, предназначенным для привода топливного насоса. Привод топливного насоса осуществляется этим кулачком через длинное коромысло или шток. В некоторых конструкциях двигателей используется стальной эксцентрик чашечного типа, прикручиваемый болтом к переднему торцу распределительного вала. На нескольких фотографиях распределительных валов, приведенных на рис. 14, стрелками указаны эксцентрики привода топливного насоса.

 

	Рис. 14. Варианты размещения эксцентрика привода топливного насоса на распределительных валах (для двигателей с верхним расположением клапанов и нижним расположением распределительного вала).

 

 

3.2.2. Привод распределительного вала

 

Привод распределительного вала осуществляется коленчатым валом посредством шестеренчатой передачи, или посредством звездочек и цепей, или посредством зубчатых шкивов и зубчатых ремней (рис. 15).

Цепной привод надежнее и более долговечен, чем ременный, но требует смазки и, как следствие, герметизации крышки, закрывающей привод. Цепь существенно тяжелее ремня и поэтому для нее требуется более качественное натяжение и устройство для гашения вибраций. Зубчатые ремни дешевле, но требуют более частого контроля и замены после определенного пробега.

Поскольку в четырехтактном двигателе каждый клапан открывается только один раз каждые два оборота двигателя, распределительный вал должен вращаться в два раза медленнее коленчатого вала.

 

а)	б)

Рис. 15. Схема привода распределительного вала: а - на примере двигателя автомобиля ВАЗ-2106: 1 – звездочка привода распределительного вала; 2 – цепь; 3 – успокоитель цепи; 4 – звездочка привода масляного насоса; 5 – звездочка коленчатого вала; 6 – башмак натяжителя цепи; 7 – натяжитель цепи; б - на примере двигателя автомобиля ВАЗ-2108: 1 – зубчатый шкив распределительного вала; 2 – зубчатый ремень; 3 – зубчатый шкив коленчатого вала; 4 – зубчатый шкив водяного насоса; 5 – натяжной ролик.

 

Цепи привода распределительного вала ýже зубчатых ремней, что позволяет уменьшить длину двигателей с цепным приводом.

Цепной привод распределительного вала, как правило, оснащается устройством натяжения цепи, которое натягивает пассивный участок цепи. Прижим башмака натяжителя к цепи осуществляется либо пружиной, либо гидравлическим устройством, использующим давление масла в системе смазки двигателя (рис. 16).

 

а)	б)

Рис. 16. Пружинный натяжитель цепи (а) и гидравлический (б).

 

Ведущая шестерня или звездочка привода распределительного вала, стоящая на коленчатом валу, изготавливается из спеченного порошкового материала. Если используется шестеренчатый привод, то зубья ведомой шестерни, установленной на распределительном валу, должны быть сделаны из мягкого материала для снижения шума. Как правило, ведомая шестерня распределительного вала изготавливается целиком из алюминия или текстолита. В случае цепного привода звездочка распределительного вала может быть изготовлена целиком из чугуна или иметь смешанную конструкцию – алюминиевая ступица с нейлоновыми зубьями, – обеспечивающую снижение шума (рис. 17).

В цепных приводах распределительного вала используются цепи двух типов.

1). Бесшумная цепь. Цепи этого типа создают при работе меньший шум, но склонны к растяжению в процессе эксплуатации (рис. 18). Растяжение цепи привода механизма газораспределения приводит к запаздыванию срабатывания клапанов и, соответственно, потере мощности.

2). Роликовая цепь. Цепи этого типа создают при работе больший шум, но работают с меньшим трением и растягиваются меньше, чем плоскозвенные цепи (рис. 18).

 

Во многих конструкциях двигателей с верхним расположением распределительного вала вместо цепной передачи используется ременная (рис. 20). Ременная передача, как правило, работает тише цепной, но ремень требует периодической замены, обычно через каждые 100000 километров пробега. При обрыве ремня поршень соударяется с клапанами, если только в нем не предусмотрены специальные выемки, предохраняющие поршень от соударения с клапанами.

 

 

Рис. 17. Звездочки двух типов: слева – чугунная звездочка; справа – звездочка смешанной конструкции – нейлоновые зубья на алюминиевой втулке.

Рис. 18. Цепи привода распределительного вала двух типов: слева – плоскозвенная (бесшумная) цепь; справа – роликовая цепь.

 

 

Рис. 19. Звездочка и цепь привода распределительного вала со следами чрезмерного износа.

Рис. 20. Зубчатый ремень: много зубьев вырвано из зубчатого ремня. Ремень лопнул после 140000 км, т.к. владелец не заменил его, как это рекомендуется, после 96000 км пробега.

 

3.3. Штанги толкателей клапанов

 

Штанги толкателей клапанов должны быть как можно легче и в то же время обладать необходимой прочностью. Они могут быть сплошными или пустотелыми (если штанга толкателя используется одновременно в качестве маслопроводного канала).

На рис. 21 показаны различные варианты исполнения концов штанг.

 

Рис. 21. Варианты наконечников штанг толкателей клапанов.

 

 

3.4. Клапанное коромысло

 

Клапанное коромысло преобразует поступательное движение вверх штанги толкателя клапана в поступательное движение вниз стержня клапана.

Клапанные коромысла могут быть литыми, коваными или штампованными. Кованые клапанные коромысла – самые прочные, но их производство обходится дорого.

Литые клапанные коромысла обладают не столь высокой, как кованые коромысла, прочностью, но вполне достаточной для нормальной работы в двигателях легковых автомобилей. На рис. 22 показаны литые клапанные коромысла типичных конструкций.

Штампованные клапанные коромысла по себестоимости производства – самые дешевые. Они отличаются небольшим весом и очень высокой прочностью (рис. 23).

В двигателях применяются клапанные коромысла двух видов: 1) крепящиеся шарнирно на стойке со сферической или цилиндрической головкой; 2) крепящиеся шарнирно на оси.

Болт для регулирования теплового зазора обычно устанавливают на коротком плече рычага.

 

Рис. 22. Литые клапанные коромысла.

 

Рис. 23. Штампованные клапанные коромысла.

 

3.5. Клапаны

 

Для работы четырехтактного ДВС требуется как минимум по два клапана на цилиндр – впускной и выпускной. Клапаны устанавливают непосредственно в головке цилиндра (рис. 24).

 

Рис. 24. Клапан, устанавливаемый непосредственно в головке: 1 – замок тарелки пружин; 2, 5 – тарелки пружин; 3 – пружины; 4 – клапан; 6 – направляющая втулка; 7 – седло.

 

В клапанный комплект входят: собственно клапан 4, состоящий из головки с посадочной фаской и стержня, направляющая втулка 6, клапанные пружины 3, тарелки 2 и 5 пружины, замок 1 тарелки.

Клапаны открываются внутрь цилиндра, что обеспечивает плотное прилегание их к седлам при высоком давлении в цилиндре.

Седла клапанов, изготовленные из чугуна или стали, запрессовываются в головку блока цилиндров. Головка клапана и седло имеют коническую фаску, которая служит посадочной поверхностью. Фаски тщательно притираются (пришлифовываются) для обеспечения хорошего уплотнения клапана при посадке и отвода теплоты.

Седла обычно имеют посадочный угол, равный 45° или 30°. 45-градусные седла клапанов хороши тем, что на них коксообразный нагар разрушается легче, и тем самым предотвращается нарастание отложений. Следовательно, клапан плотно садится в седло. При плотной посадке обеспечивается хорошая теплопередача от клапана к седлу и головке блока цилиндров. 30-градусные седла клапанов более, чем 45-градусные, подвержены обгоранию, поскольку сильнее страдают от отложений нагара, препятствующих плотной посадке клапана в седло. В то же время 30-градусные седла обеспечивают, при одинаковой высоте подъема клапана, больший просвет для потока смеси, чем 45-градусные (рис. 25). Если в конструкции двигателя используются 30-градусные седла клапанов, то они, как правило, предназначены для менее нагреваемых впускных клапанов.

 

Рис. 25. Зависимость ширины просвета от угла рабочей фаски при неизменной высоте подъема клапана: при 30-градусном угле просвет шире, чем при 4-градусном.

Часть стержня клапана, проходящая внутри направляющей втулки, имеет цилиндрическую форму и тщательно обрабатывается. Переход от головки к стержню выполняют плавным, что улучшает отвод теплоты, увеличивает прочность и уменьшает сопротивление движению газов. На конце стержня для крепления тарелки клапанных пружин обычно делается выточка для сухариков.

Клапанные пружины обеспечивают посадку клапана на седло и удерживают клапан в закрытом положении после прекращения действия силы, открывающей его, а также при малых давлениях в цилиндре (при разрежении в период впуска). Пружины должны обладать достаточной жесткостью, чтобы под действием возникающих при работе сил инерции детали привода не отрывались от кулачка. Для того чтобы при поломке одной пружины ее витки не попадали между витками другой, навивку пружин выполняют в разных направлениях. Клапанные пружины изготовляют из специальной пружинной проволоки методом холодной навивки.

Головки клапанов (тарелки) могут иметь различную конструкцию, они могут быть как жесткими, так и эластичными, как показано на рис. 26.

 

Рис. 26. Типы головок клапанов: от жесткой (а) до эластичной (г).

 

Жесткая головка обладает высокой прочностью, сохраняет форму и обладает высокой теплопроводностью. Она также отличается более высокой износоустойчивостью. Эластичная головка, в свою очередь, способна приспосабливаться к форме седла. Поэтому эластичный клапан надежно закрывает окно, но перегревается, а изгибы при посадке в седло, когда клапан адаптируется к его форме, могут привести к его разрушению. Эластичные головки чаще встречаются у впускных клапанов, а жесткие – у выпускных.

Во время работы клапаны подвергаются высоким динамическим нагрузкам, особенно при посадке их на седло, и находятся под воздействием высоких температур. Поверхность головки клапана соприкасается с газами, температура которых в процессе сгорания достигает 2500°С. В особо тяжелых условиях находятся выпускные клапаны: их головки во время выпуска омываются со всех сторон горячими газами, движущимися с большой скоростью.

Температура впускных клапанов во время работы достигает 250-450°С, а выпускных 700-950°С. Высокие температуры отрицательно влияют на механические свойства материала, способствуют эрозии и газовой коррозии клапана, короблению его головки; все это может вызвать неплотное прилегание головки клапана к седлу и заедание стержня в направляющей втулке. Поэтому материал для клапанов должен обладать высокими механическими свойствами при высоких температурах и хорошей износостойкостью.

В качестве материала для клапанов применяются легированные, жаростойкие стали, особенно для выпускных клапанов. Сплавы, из которых изготавливаются выпускные клапаны, состоят главным образом из хрома, обеспечивающего высокую жаростойкость, с небольшими добавками никеля, марганца и азотных соединений. Если требуется придать клапану особые характеристики, то он подвергается термообработке.

Если конструкция клапана из однородного материала не может обеспечить необходимую прочность и жаростойкость, то его изготавливают сварным – из двух различных материалов. После обработки место соединения частей клапана невозможно различить. Головки клапанов изготавливаются из специальных сплавов, обладающих жаростойкостью, прочностью, коррозионной стойкостью, стойкостью к воздействию окиси свинца и высокой твердостью. Головки привариваются к стержням, изготовленным из материалов, обладающих высокой износостойкостью.

В некоторых типах особо мощных двигателей используются выпускные клапаны с полым стержнем, заполненным металлическим натрием (плавится при 97°С, кипит – при 885°С) (рис. 27). Натрий при нагреве клапана до рабочей температуры расплавляется, превращаясь в жидкость. Он плещется в канале стержня и отводит тепло от головки клапана в стержень. Далее тепло передается через направляющую втулку клапана и поглощается системой охлаждения. Монолитная конструкция клапана при правильном выборе материалов обеспечивает, как правило, хорошие эксплуатационные характеристики автомобильных двигателей.

В конструкции некоторых типов опорной тарелки пружины клапана предусмотрены встроенные механизмы поворота клапана. Это необходимо для:

- предотвращения нарастания нагара на клапане;

- уменьшения неравномерности нагрева клапана;

- выравнивания износа рабочей фаски и седла клапана;

- улучшения качества смазки направляющей втулки клапана.

 

При открытии (опускании) впускного клапана через кольцевой проход между тарелкой клапана и седлом проходит топливно-воздушная смесь (или воздух) и заполняет цилиндр. Чем больше будет площадь проходного сечения, тем полнее заполнится цилиндр, а, следовательно, и выходные показатели этого цилиндра при рабочем ходе будут выше.

Для улучшения наполнения цилиндра горючей смесью диаметр тарелки впускного клапана делается больше, чем у выпускного (рис. 28). Для лучшей очистки цилиндров от продуктов сгорания желательно также увеличить диаметр тарелки выпускного клапана. Размеры тарелок клапанов ограничены размером камеры сгорания, выполненной в головке цилиндров.

 

Рис. 27. Клапан с пустотелым стержнем.

Рис. 28. Впускной клапан делается больше по размеру, чем выпускной клапан, из-за низкой скорости потока смеси, всасываемой в камеру сгорания. Отработавшие газы вытесняются поршнем, и поэтому размер выпускного клапана можно уменьшить, освободив, таким образом, дополнительное место, что позволяет увеличить диаметр впускного клапана.

 

Лучшее наполнение цилиндров и их очистка обеспечиваются при использовании большего, чем два, числа клапанов на один цилиндр. Большинство современных двигателей имеет по два впускных и по два выпускных клапана на цилиндр (рис. 29), хотя встречаются трехклапанные (два впускных и один выпускной) системы и пятиклапанные (три впускных и два выпускных), хотя при таком числе клапанов значительно усложняется их привод.

Впервые четыре клапана на цилиндр были использованы еще 1912 г. Широкое использование такой схемы на серийных легковых автомобилях началось только в 1970-е гг. Сейчас ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр стали практически стандартными для двигателей европейских и японских легковых автомобилей. Некоторые из двигателей имеют по три клапана на цилиндр, два впускных и один выпускной, с двумя свечами зажигания (по одной с каждой стороны от выпускного клапана) (рис. 30).

 

Рис. 29. Четырехклапанная камера сгорания (дизельный двигатель).

Рис. 30. Трехклапанный ГРМ.

 

 

3.5.1. Уплотнения стержня клапана

 

Утечки через направляющие втулки клапанов являются основной причиной расхода масла в любом двигателе с верхним расположением распределительного вала. Как показано на рис. 31, во впускном окне создается высокое разрежение. В большинстве двигателей уплотнения стоят и на стержне выпускного клапана, потому что вследствие разрежения, создаваемого в выпускном окне потоком отработавших газов, утечка масла происходит и через направляющую втулку выпускного клапана, как показано на рис. 32.

 

Рис. 31. Масло просачивается через направляющие втулки впускных клапанов в камеру сгорания из-за разряжения, создаваемого в двигателе.

Рис. 32. Подсос масла может происходить через направляющую втулку выпускного клапана, вследствие разряжения, создаваемого потоком отработавших газов.

Для управления расходом масла, смазывающего стержень клапана в процессе его движения в направляющей втулке клапана, используются манжетные уплотнения (или просто манжеты, их называют еще маслоотражательными или маслосъемными колпачками) стержня клапана. Недостаточная смазка приводит к ускоренному износу стержня и направляющей втулки клапана. Избыточная смазка приводит к повышенному расходу масла и отложению угольного нагара на свече зажигания и головке клапана.

1). Зонтичная манжета клапана плотно сидит на стержне и двигается вверх-вниз вместе с клапаном. Масло, проливающееся с клапанных коромысел, стекает по зонтичной манжете как вода по зонтику (рис. 33). Поэтому зонтичные манжеты стержня клапана часто называют маслоотражательными колпачками.

2). Уплотнительная манжета клапана (маслосъемный колпачок) плотно сидит в направляющей втулке, а стержень клапана двигается в ней. Избыток масла стирается со стержня манжетой (рис. 34).

3). Кольцевая манжета клапана препятствует стеканию масла через зазор между опорной тарелкой пружины и стержнем клапана. Масло стекает по тарелке пружины и козырьку тарелки (рис. 35). Узел такой конструкции работает аналогично зонтичной манжете. Оба типа манжет обеспечивают поступление в направляющую втулку только необходимого количества масла для смазки стержня клапана. Остальное масло стекает в масляный поддон.

 

 

Рис. 33. Положение зонтичной манжеты на стержне клапана.

Рис. 34. Уплотнительная манжета клапана.

 

 

Рис. 35. Кольцевая манжета клапана.

 

3.5.2. Неисправности клапанов

 

По мере износа седла клапан все глубже садится в него, и следовательно все выше выступает из направляющей втулки. Таким образом, по мере износа седла уменьшается тепловой зазор. Если в двигателе используются гидравлические толкатели клапанов, то это остается незамеченным до тех пор, пока снижение теплового зазора не приведет к тому, что гидравлический толкатель опустится до упора. Если доходит до этого, то клапан уже не в состоянии плотно садиться в седло, и в этом случае резко падают степень сжатия (компрессия) и мощность двигателя, а расход топлива резко возрастает. Если клапан закрывается не полностью, то теплопередача от него к головке блока цилиндров нарушается, клапан перегревается и обгорает или начинает плавиться. При обгорании клапанов двигатель будет работать с перебоями, а на холостом ходу будет работать неровно.

Если двигатель оснащен механическими толкателями клапанов, то сокращение теплового зазора сначала проявляется в неровной работе двигателя на холостом ходу только тогда, когда двигатель прогрет. У двигателей с механическими толкателями снижение мощности, неровная работа на холостом ходу и перебои в работе, а также повышение расхода топлива, нарастающие по мере того, как клапаны все глубже садятся в седла, становятся заметными раньше, чем у двигателей с гидравлическими толкателями.

 

Обгорание рабочей фаски клапана (рис. 36 и 37) и «выедание» борозд на рабочей фаске клапана (рис. 38) являются следствием неплотной посадки клапана в седло, вследствие чего высокотемпературные, находящиеся под высоким давлением, рабочие газы получили возможность проникать в зазор между клапаном и седлом. Причиной неплотной посадки клапана в седло является слишком маленький тепловой зазор в клапанном механизме, отложения угольного нагара на поверхности клапана и седла, нагар на стержне клапана, чрезмерный зазор между направляющей втулкой и стержнем клапана, несоосность направляющей втулки и седла клапана.

В двигателях с механическими толкателями клапанов недостаточный тепловой зазор может быть следствием неправильной установки толкателя. Он может возникнуть также в результате рассогласования в механизмах привода клапанов с гидравлическими толкателями. Зазор может также уменьшиться в результате чашеобразной деформации (вытяжки) головки клапана или в результате износа рабочей фаски клапана и седла. На рис. 39 показан типичный пример такого износа. Кроме того, имеются большие отложения угольного нагара на самом клапане. Они не только тормозят потоки воздуха и топлива, поступающего в цилиндр, но и вызывают сбои в работе двигателя, впитывая топливо, подаваемое в камеру сгорания.

Твердые частицы угольного нагара осыпаются со стенок камеры сгорания. Эти твердые чешуйки, застревая между рабочей фаской клапана и седлом, не позволяют клапану до конца сесть в седло. Это ухудшает охлаждение клапана через седло и дает возможность просачиваться рабочим газам. В результате многократных соударений с твердыми частицами нагара поверхность рабочей фаски клапана становится рельефной.

Топливо и масло, попадая на горячий клапан, коксуются, образуя отложения угольного нагара и лакообразного нагара на стержне клапана. Из-за отложений нагара стержень начинает застревать в направляющей втулке, мешая клапану полностью сесть в седло и таким образом приводя к обгоранию рабочей фаски. Это – одна из самых распространенных причин обгорания рабочей фаски клапанов.

При большом зазоре между направляющей втулкой и стержнем клапана или дефектной манжете стержня клапана в камеру сгорания попадает слишком много масла. Это приводит к образованию нагара, как показано на фотографии впускного клапана на рис. 40.

Помимо этого, большой зазор дает возможность стержню перекашиваться в направляющей втулке и болтаться из стороны в сторону, особенно под действием бокового усилия, создаваемого клапанным коромыслом. Постоянное перекашивание не позволяет клапану плотно садиться в седло и становится причиной возникновения утечки рабочих газов через неплотный контакт, которая приводит к обгоранию рабочей фаски клапана.

 

Рис. 36. Сильно обгоревший выпускной клапан.

Рис. 37. Обгорание рабочей фаски клапана.

 

Рис. 38. Борозда, «выеденная» выхлопными газами в рабочей фаске клапана.

Рис. 39. Пример износа седла впускного клапана.

 

 

Рис. 40. Впускной клапан, покрытый толстым слоем угольного нагара.

Рис. 41. Головка клапана, изъеденная рабочими газами.

 

Клапан перегревается, если нарушается его нормальная посадка в седло. Но перегрев может возникнуть даже и при нормальном контакте клапана с седлом – по множеству других причин. Сужение каналов охлаждения может быть следствием бракованной отливки или зарастания каналов отложениями, выпадающими из охлаждающей жидкости. Если нарушается надлежащее распределение потока охлаждающей жидкости по каналам охлаждения, это приводит к перегреву. Чрезвычайно высокие температуры также возникают при преждевременном воспламенении и детонации рабочей смеси. Эти нарушения нормального режима сгорания топлива сопровождаются резким повышением температуры, вызывающим скачкообразный нагрев. Резкое повышение температуры вызывает тепловой удар.

Тепловой удар часто приводит к возникновению в клапане радиальных трещин, через которые проникают рабочие газы, «выедающие» борозды в рабочей фаске клапана. На рис. 41 показан пример клапана с головкой, изъеденной рабочими газами. Когда радиальные трещины пересекаются, клапан крошится. Тепловой удар может возникнуть также при резком торможении разогнанного двигателя и сразу же за этим – резком разгоне его.

 

На высоких оборотах двигателя скорости потоков газов неизбежно возрастают. Отработавшие газы, двигающиеся с высокой скоростью, обтекая стержень выпускного клапана, вызывают его эрозионный износ, механически отшлифовывая с него металл. Поскольку отработавшие газы являются еще и агрессивными, то они вызывают коррозию стержня выпускного клапана, химически разрушая металл. Эрозия и коррозия стержня клапана вызывают поперечное сужение стержня – образование шейки, которая снижает прочность стержня и приводит к его поломке. Пример шейки, образовавшейся на стержне клапана, показан на рис. 42.

В случае нарушения соосности клапана головка клапана неизбежно искривляется при каждом опускании в седло. При чрезмерном искривлении или изгибе происходит разрушение стержня клапана и головка отламывается от него. Пример такой поломки показан на рис. 43.

 

Рис. 42. Местное сужение (шейка), образовавшаяся на стержне клапана.

Рис. 43. Головка клапана, отломившаяся от стержня.

 

Отломившаяся головка, попав в пространство между головкой блока цилиндров и поршнем, обычно разрушает поршень (рис. 44).

Ударное закрывание клапана приводит к ускоренному износу рабочей фаски клапана и седла клапана и их усталостному разрушению. Причиной ударного закрывания клапана может быть чрезмерный тепловой зазор в клапанном механизме с механическим толкателем клапана или выход из строя гидравлического толкателя. При избыточном зазоре профиль кулачка уже не может смягчить посадку клапана в седло и клапан получает возможность ударяться об него. Избыточный зазор может быть вызван также износом деталей, например, кулачка распределительного вала, подошвы толкателя клапана, концов штанги толкателя, шарнирной стойки клапанного коромысла и верхушки стержня клапана. При слабой или сломанной пружине нарушается контакт клапана с кулачком и он получает возможность бесконтрольно ударяться об седло. Гидравлические толкатели в случае бесконтрольного «болтания» клапанов реагируют на это, выдвигаясь вверх, тем самым уменьшая повреждения клапанов от ударов.

Ударное разрушение клапана может привести к тому, что головка клапана упадет в камеру сгорания. В большинстве случаев при этом происходит разрушение поршня до того, как двигатель остановится – такой случай показан на рис. 44 и 45.

 

Рис. 44. Поршень, пробитый головкой, оторвавшейся от стержня клапана.

Рис. 45. В этом двигателе опорная тарелка пружины слетела со стержня клапана, клапан вырвался из направляющей втулки на полном ходу двигателя, развернулся в цилиндре и пробил поршень.

 

При недостаточной смазке стержни заедают. Заедающий стержень клапана на короткое время прикипает к направляющей втулке, когда клапан закрыт. Когда клапан открывается под действием внешней силы, этот контакт разрывается. При этом от направляющей втулки отрываются частицы металла, впечатываясь в поверхность стержня клапана. В процессе работы двигателя металлические наросты на поверхности стержня клапана царапают поверхность направляющей втулки, создавая на ней задиры. Вскоре клапан заклинивается в направляющей втулке, теряет подвижность, и цилиндр становится неработоспособным.

 

3.6. Фазы газораспределения

 

Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала, называют фазами газораспределения, а их графическое изображение носит наз