Клапаны, устройство и назначение клапана
Кла́пан — это устройство, предназначенное для открытия, закрытия, а также регулирования потока горючей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя и выпуска отработавших газов.
Для нормальной работы четырехтактного двигателя требуется, как минимум, по два клапана на каждый цилиндр — впускной клапан и выпускной клапан. В данный момент широкое распространение получили клапаны тарельчатого типа со стержнем. Для качественного наполнения цилиндра горючей смесью диаметр тарелки впускного клапана делается немного больше, чем у выпускного.
Из чего изготавливают клапана
Седла клапанов изготавливаются из чугуна или стали, затем запрессовываются в головку блока цилиндров. Клапаны во время работы двигателя подвержены значительным механическим и тепловым нагрузкам, поэтому необходимо подбирать специальный сплав для изготовления детали.
Клапана для высокофорсированных двигателей должны хорошо охлаждаться, поэтому в них применяют клапаны с полым стержнем, с наполнением натрия внутри. При достижении рабочей температуры натрий плавится и начинает перетекать от тарелки клапана, к стержню равномерно распределяя тепло. Для равномерности теплопередачи и уменьшения нагара на фасках клапана применяют механизмы вращения клапана.
Виды ГРМ
Существуют следующие виды газораспределительных механизмов: нижнеклапанный ГРМ и верхнеклапанный ГРМ. Сегодня, на современных автомобилях, используются только верхнеклапанные ГРМ, когда клапаны располагаются в головке цилиндров.
Клапан удерживается в закрытом состоянии с помощью клапанной пружины, а открывается при нажатии на стержень клапана. Клапанные пружины должны иметь определенную жесткость (оптимальную, чтобы не увеличивать ударную нагрузку на седло клапана) для гарантированного закрытия клапана во время работы.
Чтобы снизить потери на трение в ГРМ применяют ролики, которые установлены на рычагах и толкателях привода клапанов. Применение роликов в клапанном механизме заменяет трение скольжения, на трение качение, что значительно уменьшает потери на привод клапанов.
При открытии впускного клапана проходит топливно-воздушная смесь (или воздух) наполняя цилиндр двигателя. Чем больше площадь проходного сечения, тем полнее заполнится цилиндр, что приводит к повышению выходных показателей цилиндра при рабочем ходе. Для улучшения очистки цилиндров от продуктов сгорания увеличивают диаметр тарелки выпускного клапана. Правда, размеры тарелок клапанов ограничены размером камеры сгорания, выполненной в головке цилиндров. Многое также зависит от регулировки клапанов.
Применение четырех клапанов на цилиндр началось еще в 1912 г. на двигателе автомобиля Peugeot Gran Prix . Широкое использование такой схемы в серийном производстве легковых автомобилях началось только в конце 1970-х гг. Сегодня ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр стали практически стандартными для двигателей европейских и японских легковых автомобилей.
Mercedes выпускает двигатели, которые имеют по три клапана на цилиндр, два впускных и один выпускной, с двумя свечами зажигания (по одной с каждой стороны от выпускного клапана).
Существует практика использования даже 5 клапанов на цилиндр (3 впускных и 2 выпускных). Такой технологией практикует автомобильная группа Volksvagen-Audi, но при этом значительно усложняется привод клапанного механизма.
Устройство клапана и как оно работает
Для качественного осуществления ремонта ГБЦ необходимо четкое понимание работы данного агрегата. Основным узлом в процессе работы головки однозначно является клапан. В данной статье хочу детально рассмотреть устройство и работу клапана.
Клапан служит для периодического открытия и закрытия отверстий впускных и выпускных каналов в зависимости от положения поршней в цилиндре и порядка работы двигателя.
В большинстве современных двигателей впускные и выпускные каналы выполнены в головках цилиндров и заканчиваются вставными гнездами из жаропрочного чугуна или металлокерамики.
Клапан состоит из головки и стержня. Головка имеет узкую, скошенную под углом 45°, 30°, в некоторых случаях 20° кромку (рабочая поверхность), называемую фаской. Фаска клапана должны плотно прилегать к фаске седла, для чего эти поверхности обрабатывают на специальном оборудовании или взаимно притирают.
Головки впускных и выпускных клапанов имеют разный диаметр. Для лучшего наполнения цилиндров свежей горючей смесью диаметр головки впускного клапана делают большим, чем диаметр выпускного. В связи с тем что клапаны во время работы двигателя неодинаково нагреваются (выпускной клапан омываемый горячими отработавшими газами, нагревается больше), изготавливаются они из разного материала: впускные клапаны – из хромистой, выпускные из сильхромовой жаропрочной стали. Для увеличения срока службы выпускных клапанов на их рабочую поверхность бывает наплавлен жароупорный сплав, или сделано уплотнение поверхности бронированием, стержни бывают изготовлены пустотелыми и имеют натриевое наполнение, способствующее лучшему отводу тепла от головки клапана к его стержню.
Стержень клапана цилиндрической формы в верхней части имеет выточку для деталей крепления клапанной пружины. Стержни клапанов помещены в чугунных, бронзовых или металлокерамических направляющих втулках. Втулки запрессованы в головку цилиндров.
Клапан прижимается к седлу стальной пружиной, которая иногда имеет переменный шаг витков, что в свою очередь устраняет ее вибрации. Пружина одной стороной упирается в шайбу, расположенной на головке цилиндров, а другой в опорную шайбу. Опорная шайба удерживается на стержне клапана двумя коническими сухарями, внутренний буртик которых входит в выточку стержня клапана.
Для уменьшения проникновения масла по стержням клапанов в камеру сгорания двигателя в опорных шайбах установлены резиновые кольца или на стержни клапанов надеты резиновые колпачки. Для равномерного нагрева и износа клапана желательно, чтобы при работе двигателя он проворачивался. В некоторых двигателях выпускные клапаны имеют механизм проворота. Такими являются двигатель автомобиля Renault Magnum (Рено Магнум) и двигатель автомобиля ЗИЛ 130. Он состоит из неподвижного корпуса, в наклонных канавках которого расположены шарики с возвратными пружинами, дисковой пружины и опорной шайбы с замочным кольцом. Механизм установлен на направляющей втулке клапана в углублении головки цилиндров. На других двигателях клапан проворачивается за счет вибрации двух пружин с разным направлением навивки.
Во время работы двигателя в связи с нагревом клапанов их стержни удлиняются, и может наступить такой момент, когда клапан не сядет в седло, что приведет к нарушению работы двигателя. Для обеспечения плотной посадки в седле между стержнем и носком коромысла (кулачком распредвала) должен быть определенный тепловой зазор. Значение зазора указываются для каждого двигателя индивидуально производителями. Для его регулировки в большинстве грузовых автомобильных двигателей существуют регулировочные винты, а многие производители легковых двигателей применяют гидрокомпенсаторы.
Для более полного понимания работы газораспределительного механизма и клапана в частности, рассмотрим опережение открытия и запаздывания закрытия клапана, так называемые фазы газораспределения.
С целью получения наибольшей мощности необходимо как можно лучше заполнять цилиндры горючей смесью и очищать их от продуктов сгорания. Для этого впускной клапан открывается до прихода поршня в В.М.Т. в конце такта выпуска, то есть с опережением в пределах 10°…31° поворота коленчатого вала, а закрывается после прихода поршня в Н.М.Т. в начале такта сжатия, то есть с запозданием в 46°…83°. Продолжительность открытия впускного клапана составляет 236°…294° поворота коленчатого вала, что значительно увеличивает количество поступаемой в цилиндры горючей смеси или воздуха. Поступления смеси или воздуха до прихода поршня в В.М.Т. и после Н.М.Т. происходит за счет инерционного напора во впускном трубопроводе из-за часто повторяющихся тактов в цилиндрах.
Выпускной клапан открывается за 50°…67° до прихода поршня в Н.М.Т. в конце такта «рабочий ход» и закрывается после прихода поршня в В.М.Т. такта выпуска на 10°…47°. Продолжительность открытия выпускного клапана 240°…294° поворота коленчатого вала. Выпускной клапан открывается раньше, так как давление в конце такта «рабочий ход» невелико и оно используется для очистки цилиндров.
После прохождения поршнем В.М.Т. отработанные газы будут продолжать выходить по инерции.
Моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек, выраженные в градусах поворота коленчатого вала, называют «фазами газораспределения».
Исходя из этого понятно, что в двигателе бывают моменты (в конце такта выпуска и начале такта впуска) когда оба клапана открыты. В это время происходит продувка цилиндров свежим зарядом горючей смеси или воздуха для лучшей очистки от продуктов сгорания. Этот процесс носит название – перекрытие клапанов.
Все сказанное в данной статье поможет нам в дальнейшем понять что должно происходить при ремонте ГБЦ и развеять кучу существующих мифов возникающих в результате низкой профессиональной грамотности многих ремонтников. В следующей статье мы рассмотрим ремонт сопряжения клапан-седло, ключевую операцию при ремонте ГБЦ.
главный специалист цеха автомобильной
клапан двигателя
Atrac впервые разработал, и изготовил экономичные высокопроизводительные клапаны двигателей для различных применений. У нас есть возможности и возможности разрабатывать и поставлять высокопроизводительные клапаны для двигателей согласно вашим требованиям в соответствии с указанными вами химическими и металлургическими спецификациями.
Впускные и выпускные клапаны, используемые в двигателе внутреннего сгорания, изготавливаются из разных материалов для работы в разных условиях. Клапаны впускных двигателей изготовлены из кремниевой легированной стали и клапанов выхлопных газов из хромоникелевой кремниевой легированной стали (для работы в условиях высокой температуры и высокого напряжения). Клапаны двигателя также поставляются с процессом жидкого азотирования или жестким хромированием, что увеличивает поверхностное упрочнение штока. При каждом дизайне клапанов мы стремимся максимизировать долговечность благодаря более высокой усталостной стойкости и прочности на растяжение.
Из чего сделаны клапана двигателя
Задать вопрос
Заказать звонок
Заказать звонок
Технологии и производство Челябинских клапанов
Производство впускных и выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания сложный и многогранный процесс, требующий высокоемкой научной базы, труда высококлассных специалистов и большого количества специального оборудования.
Мы расскажем вам как на уникальном заводе, единственном в Российской Федерации, создаются клапаны для двигателей соответствующие всем современным стандартам и требованиям потребителей.
Начнем со склада сырья для производства клапанной продукции
Челябинские клапаны изготавливаются из специальных клапанных 40Х10С2М / 40Х9С2 / ЭП-303, которые строго соответствуют требованиям ГОСТ Р 53810-2010.
Сырье для производства клапанов представляет собой металлические калиброванные прутки;
Обязательный входной контроль каждой партии плавки Отделом Технического Контроля (ОТК) и Отделом Главного Технолога (ОГТ) позволяет гарантировать высокое качество продукции завода.
Челябинские клапаны изготавливаются из сырья исключительно Российского производства высочайшего качества, каждая партия сопровождается сертификатами и паспортами качества.
Рубка заготовки клапана
Чтобы из прутка получился нужная по конфигурации заготовка клапана, необходимо выполнить рубку этого прутка в размер.
Рубка происходит на специальном кривошипном прессе усилием 10т. с высокой скоростью автоматической подачи прутка.
Процесс рубки прутка гораздо быстрее и экономически выгоднее обычной резки — не нужно приобретать дорогостоящие полотна, нет отходов дорогого сырья в стружку, при этом качество получаемых прутков соответствует всем требованиям, предъявляемым к технологии производства заготовок клапана.
Электровысадка на автоматическом оборудовании
Следующий этап производства Челябинских клапанов наиболее интересный, на этом этапе заготовка – пруток превращается в поковку для дальнейшей обработки.
Электровысадка — самый прогрессивный способ изготовления поковки клапана. Процесс позволяет получить требуемую структуру металла, что обеспечивает гарантийный ресурс работы двигателя.
Специальный захват полностью автоматической линии подает заготовку из бункера накопителя на автомат роторно-карусельного типа, где происходит равномерный нагрев торца прутка методом сопротивления току высокой мощности и одновременное вертикальное сжатие прутка гидравлическими цилиндрами для придания заданной формы будущей заготовки в виде «луковицы» разогреваемой свыше 1 000 °С.
Далее пруток с уже высаженной и разогретой «луковицей» автоматической подачей перемещается в рабочую часть пресса «пресс-форму» где усилием 100 тонн пресс формирует будущую тарелку клапана.
Таким образом заготовка приобрела форму будущего изделия, которое называется поковка.
Термообработка поковки клапана
Теперь поковка Челябинского клапана перемещается на специальный участок термообработки.
Чтобы снять остаточные напряжения между стержнем клапана и ранее сформированной тарелкой, поковка поступает на автоматическую линию специальных конвейерных печей проходного типа.
Здесь поковка приобретает дополнительные прочностные характеристики — объемной закалки, повышения твердости метла и его структуры в объеме поковки.
На первом этапе выполняется объемная закалка поковки, на втором снятие остаточного напряжения — после чего поковка остывает и выдается в токарный цех для черновой обработки.
Автоматический режим термообработки в конвейерной печи проходного типа гарантирует получение оптимальной структуры металла будущего клапана.
Уникальная автоматическая линия АО «ЧАМЗ»
«Челябинские клапаны» изготавливаются в автоматическом режиме практически без участия человека. Токарные и шлифовальные станки обрабатывают каждую деталь с точностью до микрона. Автоматическая линия оборудована специальными системами автоматического транспорта для межоперационной транспортировки и непрерывной подачи заготовок к обрабатывающему оборудованию. Другими словами Челябинские клапаны изготавливаются в автоматическом режиме, в начале бросил заготовку в линию, а в конце забрал готовый клапан. Автоматическая линия представляет собой набор различного оборудования по методам обработки изделий.
Шлифовальная группа автоматической линии
Обработку заготовки клапана обеспечивают круглошлифовальные, торцешлифовальные и бесцентрошлифовальные станки-автоматы.
Операции шлифования являются наиболее точными в металлообрабатывающей индустрии, уникальное оборудования шлифовальной группы позволяет выдерживать все современные требования к производству клапанов с микронными допусками обработки.
Токарная группа автоматической линии
Токарную обработку на автоматической линии выполняют специальные токарные роторные многошпиндельные станки-автоматы.
Закалка ТВЧ
Торцы стержней ОРИГИНАЛЬНЫХ и ГАЗОВЫХ клапанов проходят закалку при помощи токов высокой частоты (ТВЧ), что позволяет обеспечить требуемую твердость торца стержня клапана и высокую износостойкость при механических воздействиях толкателей.
Наплавка рабочего конуса клапана
Специальный процесс наплавки на рабочий конус жаропрочного, тугоплавкого кольца, изготовленного на основе никеля или кобальта.
Наплавленное кольцо позволяет существенно продлить ресурс работы клапанов, предотвращает возможные последствия прогара и разрушения при неисправности работы систем образования топливовоздушной смеси и зажигания, а также некачественного топлива или при высоких неоптимальных нагрузках двигателя в процессе работы.
Операция происходит в газовой среде при высокой температуре в специальных наплавочных установках, которые позволяют разогреть до нужной температуры металлы различных сплавов для сплавки.
После наплавки каждый клапан обязательно попадет в специальную отпускную печь.
Выпускные клапаны «ОРИГИНАЛ» поставляются на конвейерную сборку моторостроительных заводов — наплавленное кольцо таких клапанов выдерживает рабочую температуру до 1 050 °С.
Выпускные клапаны «ГАЗОВЫЕ», «ОРИГИНАЛ – КАМАЗ/ЯМЗ» — наплавленное кольцо этик клапанов выдерживает рабочую температуру до 1 200 °С.
Клапаны серии «ГАЗОВЫЕ» разработаны для работы со всеми видами газового топлива и для высокофорсированных двигателей.
Сварка трением хвостовика и стержня клапана
На высокотехнологичном, уникальном автоматическом оборудовании сваркой трением приваривается хвостовик клапана из специальной износостойкой клапанной стали, обеспечивающей высокую износостойкость на весь гарантийный ресурс работы двигателя.
Специальный Люминесцентный контроль
Люминесцентный контроль обеспечивает стопроцентное исключение любых поверхностных дефектов с точностью до одного микрона.
Участок хромирования
Автоматическая линия хромирования для электрохимической адгезии износостойкого твердого хрома.
Основная задача твердого хрома упрочнить поверхность клапана и уменьшить трение в паре стержень направляющая втулка, предотвратить образование нагара и обеспечить высокие антикоррозионные свойства.
В процессе работы двигателя частички хрома дополнительно переносятся на внутреннюю часть направляющей втулки клапана, что позволяет увеличить антизадирные свойства и уменьшить силу трения, что значительно уменьшает адгезию нагара отработавших газов в паре стержень клапана — направляющая втулка и имеет отличные антикоррозионные свойства.
Технология покрытия стержня клапана твердым хромом значительно превосходит дешевые методы карбонитрации и азотирования адаптированные к производству клапанов различными аналогичными производителями — на этом важном этапе производства АО «ЧАМЗ» не экономит, выпуская высококачественные клапана соответствующие всем требованиям ГОСТ Р 5380-2010.
Отдел технического контроля (ОТК)
Контрольные автоматы, обеспечивающие 100% контроль всех ключевых геометрических параметров.
После работы контрольных автоматов, каждый выпущенный клапан в ручную проверяет контролер ОТК на специальном измерительном оборудовании.
Двойной контроль — это синергия высокоточного оборудования и высококвалифицированных сотрудников, который позволяет полностью исключает возможность пропустить какой либо дефект в продукции завода и отгрузить некачественный клапан потребителю.
Лаборатория АО «ЧАМЗ»
На последнем этапе каждый клапан проходит дополнительный контроль специалистами Отдела технического контроля (ОТК) в специальной Металлографической лаборатории.
Металлографическая лаборатория осуществляет входной и выборочный контроль металла используемого в производстве от момента получения сырья, обработки поковки и заготовки до конечного изделия. Лаборатория исследует химический состав металлов различных сплавов, выполняет измерение твердости металла, шероховатости поверхностей и множества других параметров.
Склад готовой продукции
Теперь Челябинские клапаны готовы к последней процедуре, где бережные руки сотрудников упаковывают клапаны в индивидуальные упаковки с использование специальной ингибированной антикоррозионной бумаги для консервации — это позволяет длительно хранить клапаны в индивидуальных упаковках согласно требованиям ГОСТ.
Челябинский автомеханический завод
Челябинский автомеханический завод стоял у истоков создания всех автомобильных двигателей страны. Совместно с партнерами, завод прошёл множество важнейших исторических событий, сохранив высокий уровень качества и репутацию надежного партнёра.
А заложенные трудовые традиции передаются следующим поколениям машиностроителей.