Как работают клапаны в двигателе?

Если Вы читали статью о работе двигателя, то знаете, что существует 4 такта работы мотора:

1. впуск,
2. сжатие,
3. сгорание,
4. выпуск.

В современных двигателях на каждый цилиндр приходится 4 клапана: два впускных и два выпускных — они работают попарно — т.е. два впускных клапана открываются одновременно и два выпускных одновременно (но отличное время от времени открытия впускных). Это контролируется распределительным валом. Во время такта впуска, когда цилиндр движется вниз, открывается пара впускных клапанов, чтобы смесь топлива и воздуха могла впрыснуться в камеру сгорания цилиндра. Затем клапан закрывается, цилиндр движется уже наверх, и, следовательно, происходит сжатие смеси. Когда цилиндр достигает верхней точки, происходит взрыв этой смеси (инициируемый свечой в бензиновых двигателях и крайней степенью сжатия в дизельных). Теперь цилиндр из-за возникшего по причине взрыва давления движется вниз, а, когда достигает крайней нижней точки, открывается пара выпускных клапанов, чтобы были выдавлены цилиндром отработавшие газы, когда тот снова начнёт двигаться вверх.

Ничего сложного, не правда ли? Но из чего состоит цепочка работы клапанов, откуда они знают, когда им открываться и закрываться. Увы и ах, но в эру умнейших компьютеров, эта операция контролируется всего лишь какими-то грушевидными отростками на валу, который приводится во вращения от коленчатого вала двигателя. Этот вал называется распределительным или распредвалом в обиходе.

К распредвалу идёт ремень или цепь ГРМ, которая имеет зубцы и предназначен для очень точной передачи оборотов коленчатого вала (который приводится в движение цилиндрами двигателя) распредвалу. На самом распредвале расположены так называемые кулачки, яйцевидные «отростки» на валу, которые и толкают клапаны в нужный момент. И вот как это выглядит:

Распределительный вал, установленный в блоке цилиндров, имеет мелкие металлические нажимные цилиндры (кулачки), расположенные выше самого клапана и металлического толкателя, который находится между клапаном и кулачком. Когда распредвал крутится, крутятся и кулачки, и когда выступающая их часть поворачивается вниз, то она толкает толкатель, который передаёт толчок клапану, который и открывается. А когда кулачок перестаёт нажимать на толкатель, пружина клапана позволяет ему подняться обратно вверх, чтобы закрыться. Это называется

подвесной системой клапанов (OHV).

Нет ГРМ — нет проблем или электронный актуатор вместо кулачка и распредвала

А современные дизели невозможно представить без одной из следующих систем: Common Rail или насос-форсунка (индивидуальная насосная секция). Управляются все они соленоидами, получающими команду от блока управления, ежесекундно суммирующего множество данных от различных датчиков. Соленоиды способны обеспечить открытие/ закрытие клапанов управления данных деталей на всех режимах работы двигателя включая наиболее скоростные 6000 об/мин и более. Сказанное выше означает то, что современные автомобильные компьютеры способны обрабатывать достаточный объем информации, а пара электромагнит – механический клапан способны надежно работать при больших скоростях: 50 срабатываний в секунду и более.

И тут на горизонте всплывает вопрос, почему же мы все еще используем механический привод там, где уже возможно применение электромагнитного соленоида. Читатель спросит: «да где же?» и возможно сильно удивится, услышав ответ: «в ГРМ». Вы не удивлены?
Должно сказать следующее, что отдаленное подобие таких систем уже давно и довольно надежно работает в топливных системах двигателей “Perkins” и “CАТ”. Это электронно управляемые насос- форсунки с гидравлическим приводом (HEUI). Ну, нет там привода от кулачкового вала, как в других двигателях с индивидуальными насосными секциями или насос-форсунками. Нет и все. И ведь работает…
Перечислим основные минусы стандартного газораспределительного механизма:

Первое: жесткая привязка конструкции: например, если ГРМ двигателя рассчитан на четырехтактный цикл, он не может работать по двухтактному циклу.
Второе: для разных режимов работы двигателя (прежде всего скорости вращения коленвала) существует свой оптимальный состав топливовоздушной смеси, свои правильные моменты открытия и закрытия клапанов. В настоящее время эта проблема решается с помощью механизма изменения фаз газораспределения (VTEC): весь распредвал слегка поворачивается относительно шестерни привода ГРМ и все моменты открытия и закрытия клапанов смещаются от нулевого угла вперед или назад. Проблема данного механизма в ограниченности возможных режимов его применения.
Третье: клапана (впускной или выпускной) из-за профиля приводного кулачка находятся в полностью открытом состоянии лишь очень малый отрезок времени, остальное время — не беря в расчет фазу закрытия — они или плавно подымаются или также плавно опускаются. Схема их перемещения близка к синусоиде. Для улучшения характеристик производители вынуждены устанавливать по 3-4-5 клапанов на один цилиндр.
Четвертое: на определенных режимах впускной и выпускной клапаны вместе находятся в приоткрытом состоянии, при этом часть топливной смеси попадает в выпускную систему, уменьшая тем самым экономичность двигателя и увеличивая выбросы в атмосферу.
Пятое: (и, наверное, не последнее): каждый водитель боится обрыва ремня ГРМ и его последствий в виде вывода двигателя из строя и последующих затрат на дорогостоящий ремонт.
К чему мы все это рассказываем? А дело в том, что в Скандинавии ездит один довольно старый SAAB 9−5. И все бы ничего, но у его двигателя нет ни толкателей клапанов, ни кулачков, ни распредвала, ни его привода, короче, механизм ГРМ в его классическом понимании в двигателе у этого автомобиля отсутствует как класс. Хозяин автомобиля и разработчик новой системы — Кристиан фон Кенигсегг, личность в определенных кругах очень известная.
Система получила название Freevalve (т.е. свободный, независимый клапан). В головке блока цилиндров двигателя указанного автомобиля, как и на его конвейерных собратьях, установлены 16 клапанов, но каждый из них управляется индивидуальным актуатором, получая команду на открытие или закрытие клапана от блока управления двигателем. Конструкция актуатора, наверное, самое главное в управлении клапана Freevalve. Будет неверным сказать, что поставить на каждый клапан индивидуальный привод и управлять ими независимо друг от друга не пробовали раньше. Даже в Советском Союзе, говорят, такие работы проводились. Но наиболее очевидное решение в виде соленоидов (или по другому линейных электродвигателей) не приводило к желаемому результату: небольшим по мощности соленоидам не хватало мощности, чтобы придать клапанам необходимые скорости (до 8-10 тысяч возвратно поступательных перемещений в минуту), возникали проблемы с надежностью, управлением бортовой ЭВМ.

У конструкции Кенигсегга открывает клапана пневматика, а закрывает уже гидравлика. Обе системы (пневматическая и гидравлическая) постоянно находятся под давлением и готовы передать клапану максимум энергии. Задача электрического привода — лишь вовремя по указанию блока управления подавать к клапану воздух или масло. Проблемы смазки и охлаждения элементов системы решается сама собой: нагруженные детали приводов обслуживаются соответствующими системами самого двигателя.

В чем же преимущества актуатора Freevalve?

Первое: впускной или выпускной клапана могут открываться тогда, когда это необходимо, поведение каждого клапана может программироваться индивидуально. Сам двигатель в таком случае может работать и по 2- тактному циклу, и по 4- тактному; переходить из одного в другой, при необходимости полностью отключать работу цилиндра, тем самым плавно переходя от наибольшей долговечности к наивысшей отдачи мощности, от наибольшей экономичности при 4- тактном режиме, к наибольшей удельной мощности при 2- тактном.

Второе: необходимые объемы газов проходят через полностью открытые клапана за меньшие промежутки времени и, потому открытие впускного и выпускного клапанов между собой не пересекается, что значительно сокращает долю выбросов вредных веществ в атмосферу и увеличивает экологичность двигателя.

Третье: продолжительность нахождения клапана в максимальной точке подъема может быть сколь угодно долгим. График работы такого клапана в максимальной точке подъема напоминает прямую после некого успокоения, а в целом приближен к прямоугольному профилю в отличие от синусоиды у клапана с приводом обычного ГРМ.

Четвертое: универсальность. По слухам актуатор Freevalve подходит и для гоночных моделей двухтактных двигателей (до 15000 об/мин), и для тяжелых автомобильных дизелей (работающих в диапазоне 2500 об/мин и менее).

Таким образом, клапана Freevalve вкупе с инжектором или современными топливными системами дизельных двигателей позволяют в любой необходимый момент включить любую программу для любого цилиндра без каких-либо механических ухищрений. Вполне возможно, что двигатели с индивидуальными приводами клапанов могут стать по-настоящему массовым явлением.

На данный момент главный его недостаток – это высокая стоимость производства. Которая, впрочем, может снизиться в случае массового применения новой технологии. Ожидается, что в скором времени двигатели с данными приводами клапанов будут запущен в серию. И, вполне возможно, двигатель внутреннего сгорания получит шанс на новую жизнь перед тем, как мир будет завоеван другими движителями.

Принцип работы 16 клапанного двигателя

16 клапанный двигатель

В настоящее время именно 16 клапанный двигатель взят за основу работы многих
автомобилей. Это и не странно, ведь он отличается высокой степенью экономичности и
надежности. Для 8 клапанного двигателя такие характеристики в плене эксплуатации
попросту недостижимы. Что касается воздействия на окружающую среду, то эти
экземпляры в процессе своей работы оказывают на нее минимальное отрицательное
влияние. Это очень важно в эпоху, когда растительность и свежий воздух становятся чем-
то экстравагантным. Не стоит забывать и об экономичности 16 клапанного двигателя. Он
потребляет на несколько процентов меньше горючего, чем его 8 клапанный собрат.
Именно о поколении шестнадцатиклапанных агрегатов сегодня и пойдет речь. Не забудем
мы и о принципе работы этого устройства.

16 клапанный двигатель

Устройство и работа

Начать разговор, разумеется, нужно с устройства 16 клапанного двигателя. На каждый
цилиндр в моторе в данном случае будет приходиться по 2 клапана. Это не единственное
отличие данного агрегата от своего младшего собрата. Здесь монтируется целых 2
распределительных вала. Для 16 клапанного двигателя это норма. Один из распредвалов
отвечает за управление удалением отработанных газов, то есть, по сути, осуществляет
процесс выпуска. Второй при этом полностью берет на себя открытие впускных клапанов,
которые поставляют свежую порцию горючего в цилиндры. Для этого двигателя
характерно, что с одной стороны происходит поступление бензина или дизеля к рабочему
органу, а с другой — удаляются все отработанные вещества. По сути, смешивания не
происходит. Благодаря этому и происходит экономия. Только для 16 клапанного
двигателя это характерно.

Распределительный вал

Так как строение цилиндров несколько изменено, это не могло сказаться на камере
сгорания. Она имеет некоторые отличительные особенности в своей структуре. Благодаря
новому построению в цилиндрах в значительной степени снижен риск детонации.
Опасность этого страшного явления практически сведена к минимуму. Это так же не
могло ни сказаться на популярности двигателя данного типа. Даже если человек заливает
в бензобак горючее низкого качества, на работу двигателя это не оказывает практически
никакого влияния. Разумеется, машина будет работать не так качественно, как на хорошем
горючем, но при этом никакой детонации не произойдет. Очень важный аспект, благодаря
которому каждый водитель, который страдает невнимательностью при выборе бензина,
может быть спокоен за свое существование и работу своего двигателя.
Что касается системы охлаждения, то в таких моторах она работает достаточно стабильно.
Это сказывается на их продолжительности жизни, которая значительно продлевается.

Преимущества

Здесь их вытекает огромное количество. Принцип работы шестнадцатиклапанного
двигателя говорит нам о том, что цилиндры в гораздо большей степени наполняются
смесью горючего, а это напрямую влияет на выходную мощность агрегата. она возрастает.
Причем, коэффициент полезного действия остается на высоте.
Это не единственное преимущества данной модели двигателя. Как уже отмечалось ранее,
построение камеры сгорания дает возможность защитить себя от случайной детонации,
даже если в бак льется не совсем качественное топливо. Современная действительность
такова, что на многих АЗС именно таковое и распространяется.
Система охлаждения таких агрегатов построена уникальным образом, что позволяет
долгие годы эксплуатировать 16 клапанный двигатель без особых проблем.
Компоновка устройств в камере сгорания позволяет разнести между собой такты впуска и
выпуска. Это очень сильно сказывается на КПД механизма.
Еще одной отличительной чертой данной модели является улучшение тяги на больших
оборотах. Принцип работы 8 клапанного агрегата не позволяет этого сделать.

Модернизация

Разумеется, многие люди, которые имеют в своем арсенале только 8 клапанный двигатель,
рано или поздно начинают задумываться о том, чтобы увеличить его мощность и
повысить КПД. Это можно сделать путем модернизации. По сути, она сводится к тому,
что одна головка меняется на другую. Только на новой будет присутствовать 16 клапанов.
Первая проблема, с которой придется столкнуться автолюбителю — это несоответствие
диаметров и длины болтов, которые крепят головку на ее законном месте. Здесь придется
проявить смекалку и хитрость. Так как для крепления 16 клапанной головки двигателя
используются болты с меньшим диаметром, новы модифицированные крепежи будут
иметь большее значение этого параметра, то для них придется заранее подготовить
головку, то есть попросту рассверлить уже готовые отверстия. Их длина при этом будет
оставаться неизменной. Прокладку блока цилиндров так же придется поменять. Это и
естественно, ведь старая предназначена для крепления другой головки. Если этого не
сделать, то герметизация может быть попросту нарушена.

16 клапанный двигатель с чугунным блоком цилиндров

Перед тем, как установить головку, придется внести изменения в конструкцию и самого
блока цилиндров. Конструкция поршней, которые используются для данного агрегата,
несколько отличается от тех, которые использовались в 8 клапанниках. Их попросту
нужно заменить.
Когда мы говорим о старой модели автомобиля, то вполне вероятно, что шатуны в не так
же имеют не те стандарты, которые необходимы для монтажа новинки. Здесь придется так
же потратить лишнюю копеечку, что бы произвести замену. Это характерно для машин,
которые выпускались еще в 80 и 90 годах прошлого столетия. Примером могут служить
ВАЗ 2108 или Ваз 2109.
не может модернизация двигателя не сказываться и на проводке и работе блока
управления. Некоторые датчики в шестнадцатиклапанном варианте смещены от
стандартного расположения. Придется приобрести несколько метров провода, чтобы
нарастить те элементы, до которых достать будет проблематично.
Для тех людей, кто хочет сэкономить на монтаже, есть еще несколько вариантов того, как
можно это сделать. Патрубок можно не менять, а произвести его модернизацию. Это позволит сохранить некоторое количество денежных средств, которое тратится на
приобретение коллектора с катализатором.
После того, как работа, связанная с тюнингом завершена, можно направиться к
специалисту по настройке двигателя. Он с помощью компьютера и соответствующего
программного обеспечения произведет отладку работы устройства. В противном случае
могут возникать самые разнообразные проблемы, ведь изменения самого мотора будут
весьма глобальными.
Таким образом, в настоящее врем шестнадцатиклапанные двигатели становятся все
актуальнее. они устанавливаются практически на все автомобили отечественного и
зарубежного производства. Это позволяет увеличить коэффициент полезного действия, и
значительно повысить мощностные характеристики агрегатов. Как видно,
самостоятельный тюнинг так же возможен. В этом нет ничего сверхъестественного.

Гидрокомпенсатор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Гидрокомпенсатор — устройство, предназначенное для автоматической регулировки тепловых зазоров клапанов двигателя.

Заключается в автоматическом изменении длины гидрокомпенсатора на величину равную зазору в газораспределительном механизме (ГРМ). Это достигается перемещением его деталей под действием пружины и подачей масла из системы смазки двигателя.

Основными деталями гидрокомпенсатора являются: корпус, плунжерная пара, пружина плунжера и обратный клапан

• Корпусом может служить (в зависимости от конструкции привода клапанов) цилиндрический толкатель, коромысло или часть головки блока цилиндров.
• Плунжерная пара состоит из:

1. втулки, обеспечивающей движение плунжера в строго заданном направлении. Зазор между ними составляет 5-8 мкм для обеспечения герметичности;
2. плунжера — стального цилиндра, в нижней части которого имеется отверстие, соединяющее полости внутри плунжера и под ним. В некоторых конструкциях с одноплечим рычагом используется плунжер без внутренней полости, а верхняя часть его имеет вид сферической головки и служит опорой.

• Пружина плунжера расположена между ним и втулкой (в полости под плунжером).
• Обратный клапан в большинстве случаев представляет собой стальной подпружиненный шарик.

Кулачок распредвала, повёрнутый к толкателю тыльной стороной — не передаёт на него усилие и плунжерная пружина выдвигает плунжер из втулки, выбирая зазор. В увеличившийся объём полости под плунжером через шариковый клапан поступает масло из системы смазки. После её заполнения шариковый клапан закрывается под действием своей пружины.

Поворачиваясь выпуклой стороной к толкателю, кулачок начинает перемещать его вниз. В этот момент гидрокомпенсатор передаёт усилие на клапан ГРМ как «жёсткий» элемент, так как шариковый клапан закрыт, а масло в замкнутой полости под плунжером практически не сжимается.

При перемещении толкателя и, соответственно, плунжерной пары вниз небольшая часть масла выдавливается через зазоры из полости под плунжером. Длина гидрокомпенсатора незначительно уменьшается и образуется зазор (упомянутый выше) между кулачком и толкателем. Утечки компенсируются дополнительной порцией масла из системы смазки двигателя.

Расширение деталей при нагреве приводит к изменению объёма «пополняющей» порции масла и длины гидрокомпенсатора, то есть он автоматически «выбирает» зазор как от теплового расширения, так и от износа деталей ГРМ.

Использование низкокачественного моторного масла и (или) его загрязнённость (например, при несвоевременной замене фильтра системы смазки и масла) могут привести к следующим последствиям:

• увеличению зазора в плунжерной паре, что вызывает повышенные утечки масла из полости под плунжером. Гидрокомпенсатор не успевает выбирать зазоры в ГРМ, появляются характерные стуки;
• износу или засорению шарикового клапана, вызывающему неплотное его закрытие и, соответственно, увеличение утечек масла из полости под плунжером;
• заклиниванию плунжерной пары, которое полностью выводит гидрокомпенсатор из строя. В ГРМ возникают ударные нагрузки, приводящие к повышенному износу деталей и преждевременному выходу их из строя.

Засорение клапана в некоторых случаях может быть устранено промывкой двигателя специальным маслом. Все остальные неисправности, как правило, требуют замены гидрокомпенсаторов.