Автомобильный двигатель без распределительного вала
В схеме газораспределительного механизма Архангельского имеется центробежный регулятор, сдвигающий моменты открытия и закрытия клапанов в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.
Клапан Архангельского открывается при срабатывании электромагнита и закрывается возвратной пружиной.
Использование для перемещения клапана двух электромагнитов позволяет избавиться от возвратных пружин.
В новой конструкции газораспределительного механизма привод расположен сбоку от блока цилиндров. Применение длинных соленоидов увеличивает ход клапанов, позволяет его регулировать в широких пределах.
‹
›
Исторически сложилось так, что отечественное автомобилестроение развивалось в попытках догнать западных коллег. По-настоящему оригинальные модели (к ним относится, скажем, “Победа”) можно пересчитать по пальцам. И все же интересные разработки, внедрение которых позволило бы нашим автомобилестроителям успешно конкурировать с зарубежными, появляются.
Предлагаем вниманию читателей рассказ о необычном механизме, предложенном доцентом кафедры “Электротехника и электрооборудование” Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета) Д. А. Сосниным.
Устройство позволяет отказаться от применения в двигателе привычного распределительного вала и в то же время гибко управлять фазами газораспределения и величиной хода клапанов.
ТАМ, ГДЕ ЭЛЕКТРОНИКА ПАСУЕТ
Любой автомобилестроитель стремится к тому, чтобы двигатели внутреннего сгорания (ДВС) на его машинах работали в оптимальном режиме: обеспечивали максимальную мощность, равномерность крутящего момента, минимальный расход топлива, наименьшую токсичность выхлопных газов.
Однако пока этого никому не удалось добиться в полной мере, поскольку улучшение одних характеристик приводит к ухудшению других. В последнее время, правда, достигнут существенный прогресс благодаря применению автоматизированного управления работой двигателя с широким использованием электроники.
При составлении программы для системы управления двигатель на специальном испытательном стенде вводят в устойчивый режим работы и последовательно корректируют все параметры так, чтобы для данного режима они обеспечивали наилучшие выходные характеристики. То же проделывают при других режимах.
Результаты записывают в постоянную память электронного блока в виде многомерной диаграммы, с помощью которой в дальнейшем формируются управляющие сигналы по каждому из параметров.
Например, в комплексной электронной системе “Motronic” (ФРГ), которая управляет впрыском топлива и зажиганием, пять таких диаграмм: для корректировки угла опережения зажигания, времени впрыска топлива, положения клапана рециркуляции (устройства, возвращающего часть выхлопных газов в цилиндр для лучшего дожигания топлива), времени накопления энергии в катушке зажигания и положения дроссельной заслонки. В качестве входных параметров в этой системе используются частота вращения коленчатого вала, крутящий момент и температура двигателя, а также напряжение аккумуляторной батареи. На выходе контролируют соответствие оборотов двигателя крутящему моменту и содержание окиси углерода в выхлопных газах. К сожалению, в автомобиле есть система, которая не поддается регулированию даже самой изощренной автомобильной электроникой. Это газораспределительный механизм с жесткой кинематической связью между коленчатым и распределительным валами. Специалисты считают, что классический двигатель достаточно совершенен и если иногда плохо работает, то лишь потому, что “задыхается от собственного выхлопа”; стоит дать двигателю побольше кислорода, позволить “дышать полной грудью”, и ему не будет альтернативы. Помочь двигателю можно, если бы удалось сдвигать моменты открытия и закрытия клапанов, в первую очередь впускных. Вспоминается, как еще в начале 70-х годов прошлого века автогонщики прибалтийских республик выигрывали состязания, добиваясь частоты вращения коленчатого вала до 3000 об/мин на холостом ходу и до 8000 об/мин на полном газу. Впоследствии выяснилось, что они раздобыли шаблон распределительного вала, наплавляли кулачки и затем вручную доводили их форму. С такими распредвалами двигатели выдавали высокие характеристики (мощность и крутящий момент), но только на больших оборотах. Для спортивных машин это хорошо, но для “частных” — неприемлемо. Тем не менее такой факт говорит о заметной роли запаздывания или опережения фазы клапанов. Как же заставить клапан открываться и закрываться в тот момент, который соответствует оптимальной работе двигателя? Ясно, что нужно управлять фазами газораспределения в зависимости от частоты вращения, положения и нагрузки коленчатого вала. Традиционный кулачковый распредвал не позволяет решить эту задачу. В небольших пределах соотношение фаз газораспределения можно регулировать с помощью механических, электромеханических, гидравлических, пневматических приводов клапанов. Но наиболее перспективным считается электромагнитный привод, управляемый электроникой. С его помощью можно не только оптимизировать работу двигателя, но и расширить его функциональные возможности. Так, четырехцилиндровый двигатель при изменении порядка срабатывания клапанов можно заставить действовать как двух- или трехцилиндровый; он более равномерно работает при переменных нагрузках, потребляет меньше топлива на максимальных оборотах при заданной мощности. Не будет у такого двигателя проблем с изменением направления вращения коленчатого вала. На первый взгляд все выглядит очень просто, но почему-то на автомобилях электромагнитные клапана пока встречаются только в экспериментальных разработках.
КЛАПАН АРХАНГЕЛЬСКОГО
Попытку реализовать идею электромагнитного клапана с гибким управлением предпринял в середине XX века профессор МАДИ В. М. Архангельский. Включение и выключение электромагнитов происходило при замыкании и размыкании контактов, связанных с кулачками распределительного вала. На место клапан возвращался пружиной.
В схеме Архангельского был предусмотрен центробежный регулятор на распределительном валу. При изменении частоты вращения он смещал положение кулачков и вызывал опережение открывания и закрывания клапанов. Таким образом, регулятор играл роль обратной связи.
Это позволяло обходиться без программного управления, которого, кстати, тогда и не могло быть. К сожалению, несмотря на изящество схемы, работоспособную конструкцию создать не удалось. Дело в том, что клапан должен быстро срабатывать и надежно закрываться, а поэтому требуется возвратная пружина с большой жесткостью.
Соответственно нужен мощный электромагнит, который потребляет значительный ток из бортовой сети автомобиля. В те времена не было мощных полупроводниковых вентилей и металлические контакты при коммутации больших токов быстро выгорали.
Наконец, при закрытии клапана возвратной пружиной происходил сильный удар головки клапана о гнездо, что вызывало шум при работе газораспределительного механизма и вело к частым поломкам клапанов.
ОДИН ХОРОШО, А ДВА ЛУЧШЕ
Избавиться от многих недостатков, присущих клапану Архангельского, можно, если вместо одного электромагнита поставить два — открывающий и закрывающий. Подобная схема была разработана одним из студентов Тольяттинского государственного университета в дипломном проекте под руководством доктора технических наук профессора В. В. Ивашина.
В данном варианте конструкции пружины не нужны, и поэтому электромагниты могут быть меньших размеров и мощности — ведь большой ток потребляется лишь при закрывании и открывании клапанов, а для их удержания достаточна сила тока в десять раз меньше.
Но главное, теперь можно обойтись совсем без распределительного вала, поскольку задавать время срабатывания и силу тока через обмотку электромагнита может программируемый контроллер — электронное устройство, обычно на микропроцессоре, управляющее работой двигателя и других систем автомобиля. В НАМИ под руководством кандидата технических наук А. Н.
Терехина начали проводить исследовательские и конструкторские разработки газораспределительного механизма с электромагнитным приводом клапанов на базе двигателя М-412. В результате был создан действующий макет газораспределительного механизма с двухсторонними электромагнитами на восьми клапанах.
Но с начала 1990-х годов финансирование прекратилось, и перспективная разработка затерялась в архивах. Несколько лет назад работы над новым газораспределительным механизмом были возобновлены на Волжском автозаводе под руководством главного конструктора АвтоВАЗа П. М. Прусова. Так, среди тем Всероссийского конкурса “Русский автомобиль” (см.
“Наука и жизнь” № 12, 2002 г.) была объявлена “Разработка системы электромагнитного привода газораспределительных клапанов для 16-клапанного двигателя ВАЗ”. На конкурс были представлены два проекта, но оба совсем “не по делу”, и их даже не стали рассматривать.
Тем временем над усовершенствованием электромагнитного привода клапанов начали работать японские, американские и (с наибольшим успехом) немецкие автомобилестроители. Уже в 2002 году компания БМВ приступила к испытаниям на реальном 16-клапанном двигателе газораспределительного механизма с электромагнитным приводом всех клапанов.
КОНКУРЕНТОСПОСОБНАЯ КОНСТРУКЦИЯ
Тогда же к разработке электромагнитных газораспределительных клапанов приступили на кафедре “Электротехника и электрооборудование” МАДИ (ГТУ). Хотя на Западе нас не признавали конкурентами: мол, “отстали на 10 миль” (на жаргоне автогонщиков так говорят об отставших на два круга, что означает — слабаки), однако автором запатентована конструкция, которая решает большинство проблем, присущих электромагнитным приводам. В ней вместо громоздких электромагнитов, установленных над клапанами, применены длинные соленоиды. Торможение сердечника в длинном соленоиде реализуется не жесткими упорами, а краевыми магнитными полями, и работа привода становится бесшумной. Кроме того, ход клапана может быть сколь угодно большим и регулируемым. Возвратно-поступательное движение от электромагнита к клапану передается через штангу и качающееся коромысло. Благодаря этому привод можно устанавливать не над блоком цилиндров, а на его боковой поверхности. В результате значительно уменьшается высота двигателя, а для охлаждения и смазки деталей привода используются штатные системы автомобиля. Теперь дело за моторостроителями. Если удастся воплотить идею в металле, в России появится приемистый и экономичный автомобиль, который к тому же будет удовлетворять самым жестким требованиям по чистоте выхлопа.
Нижнеклапанный двигатель, его плюсы и минусы
Как известно сердцем любого механизма является его двигатель, поэтому от его выбора зависит качество и долговечность роботы машины. А чтобы грамотно подобрать эту неотъемлемую часть любого механизма, нужно хорошо разобраться в этом вопросе.
В нынешнее время существует довольно большое количество разновидностей двигателей. В основном квалификация двигателей происходит по следующей схеме:
- В соответствии с расположением распределительного вала.
- В соответствии с расположением клапанов.
Дальше двигатели принято распределять на целые ряды подтипов. Но важно перед этим разобраться именно со второй позицией, ведь от нее в большей степени зависит насколько мощным и выносливым будет двигатель. В соответствии с расположением клапанов, двигатели бывают нижнеклапанные, верхнеклапанные и соответственно со смешанным расположением клапанов.
Особенности роботы нижнеклапанного двигателя
Большинство двигателей работают по схеме ДВЗ (двигатель внутреннего сгорания), для этого необходимыми элементами есть клапаны и распределительный вал, с помощью которых синхронизируется робота выброса и заброса топлива, воздуха и использованных газов. Поэтому так важно место клапанов в работе двигателя. Нижнеклапанный двигатель характеризуется расположением распределителя и клапанов в блоке, рядом с цилиндрами. Также в одном блоке с ними располагается и привод.
Преимущества нижнеклапанного двигателя
Данное расположение многие считают наиболее выгодным, ведь оно имеет достаточно долгий перечень плюсов. Именно эта конструкция обеспечивает низкую шумность.
Также, благодаря такому расположению данная модель установки клапанов считается самой безопасной, ведь при ней практически исключается возможность касания между клапанами и поршнем, что часто происходит при неправильном расположении распределительного вала.
При роботе нижнеклапанного двигателя, при установленных параллельно гидравлических толкателях, единственный шум, который слышен – это шум обтекающего вентилятор воздуха.
Также одним из главных плюсов вышеназванного типа двигателей есть тот, что при правильной их эксплуатации практически сводиться к нулю возможность перегрева, что также увеличивает безопасность двигателю.
Минусы в роботе нижнеклапанного двигателя
Но как известно, прогресс не стоит на месте. Идеал недосягаем, но все же человек во всем стремится к совершенству, а в автомобилях главным критерием идеальности есть скорость. В этой постановке вопроса и проявляется главный недостаток машин с нижнеклапанным двигателем.
Ведь при данном расположении двигателя из-за извилистого пути, который должна пройти бензовоздушная смесь значительно замедляется процесс наполнения цилиндров. Двигатель при этом становится неэкономичным и тихоходным. Также показатели двигателя отстают по вине нижнеклапанного мотора, имеющего сложную форму, что затрудняет процесс обработки мотора.
При этом и появляется злосчастная шероховатость замедляющая роботу мотора.
При всех плюсах, существенным недостатком есть то, что при подобной компоновке механизма газораспределения затруднен доступ к толкателям клапанов. В некоторых случаях данного расположения мотора корректировка клапанного мотора вообще не была предусмотрена.
Обобщенная характеристика нижнеклапанного двигателя
Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод о том, что в изначально нижнеклапанный двигатель в автомобилестроении занимал приоритетные перед другими видами двигателей позиции.
После 1950-х, когда автомобилестроение получило новый виток развития и в широком обиходе начало появляться топливо с высокими октановыми числами, нижнеклапанные двигатели потеряли свою популярность, уступая в скорости машинам с другими видами двигателей.
На сегодняшнее время стало очевидным, сослужив в свое время хорошую службу, сегодня место нижнеклапанным двигателям в музее, или гаражах коллекционеров.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Cтраница 1
Клапаны двигателей внутреннего сгорания, особенно выхлопные, работают в очень тяжелых условиях, так как во время работы двигателя подвергаются интенсивному нагреву. [2]
Клапаны двигателей внутреннего сгорания, изготовляемые обычно горячей штамповкой на горизонтально-ковочных машинах или быстроходных прессах, подвергаются термической обработке и поковке. [3]
Клапаны двигателей внутреннего сгорания работают при высоких температурах в условиях повторных ударов и корродирующего действия выхлопных газов. [4]
Оксидированиеклапанов двигателей внутреннего сгорания для защиты их от воздействия газов производят в расплаве двухромовокислого натрия ( ГОСТ 2651 – 44) при температуре 400 С в течение 40 – 45 мин. Перед оксидированием, а также после оксидирования и промывки клапаны прогревают в термостате при 120 – 140 С в течение 20 – 40 мин. Оксидная пленка имеет цвет от коричневого до черного. [5]
Седлаклапанов двигателей внутреннего сгорания работают в особо тяжелых ударно-переменных нагрузках и высоких температурных ( 700 – 1000 С) режимах.
Поэтому к жаропрочному материалу для седел клапанов предъявляют особые требования: необходимы высокая жаростойкость и сопротивление к газовой эрозии, коррозии и ползучести, высокие механические свойства, хорошая теплопроводность и небольшой коэффициент линейного расширения. [6]
В механизмахклапанов двигателей внутреннего сгорания рационально применять несимметричные законы движения. [7]
Сталь дляклапанов двигателей внутреннего сгорания должна удовлетворять следующим требованиям: а) хорошо сопротивляться действию повторных динамических нагрузок при высоких температурах ( до 900 С в мощных авиамоторах); б) иметь достаточно высокую поверхностную твердость; в) противостоять разъедающему действию продуктов сгорания; г) обладать достаточной теплопроводностью и ограниченным коэфициентом термического расширения. Кроме того, клапанная сталь во избежание хрупкости не должна закаливаться на воздухе при охлаждении клапана с его рабочих температур. Всем перечисленным требованиям в полной мере ни одна из известных марок стали ( при крайнем разнообразии их) не удовлетворяет. [8]
Из сильхромов изготавливаютклапаны двигателей внутреннего сгорания, рекуператоры, теплообменники и другие подобные изделия и конструкции. Высоколегированные сильхромы применяют до 700 – 800 С. [9]
Из сильхромов изготавливаютклапаны двигателей внутреннего сгорания, рекуператоры, теплообменники и другие подобные изделия и конструкции. Высоколегированные сильхромы применяют до 700 – 800 С. [10]
Кобальтовыми сплавами наплавляютклапаны двигателей внутреннего сгорания, уплотнительные поверхности паровой арматуры сверхвысоких параметров, матрицы для прессования цветных металлов и сплавов и др.
При наплавке необходимо стремиться к минимальному переходу железа из основного металла в наплавленный, иначе свойства последнего резко ухудшаются.
Наплавленный металл склонен к образованию холодных и кристаллизационных трещин, поэтому наплавку ведут с предварительным и иногда с сопутствующим подогревом деталей. [12]
Гидравлический толкатель приводаклапанов двигателя внутреннего сгорания ( рис. 231, б) состоит из стакана 1, в котором скользит плуйжер 2 со сферическим гнездом под шток клапанного механизма. По системе каналов в полость А под плунжером подается масло из нагнетательной магистрали двигателя.
Открывая запорный шариковый клапан, масло выдвигает плунжер из стакана до полного выбора зазора h во всех звеньях механизма. Давление, оказываемое маслом на плунжер, уравновешивают, усиливая пружину клапана или устанавливая на толкатель дополнительную возвратную пружину.
При набегании кулачка на толкатель давление масла под плунжером возрастает, вследствие чего шариковый клапан закрывается. Усилие привода передается через столб масла, запертого в полости А. Вследствие практической несжимаемости масла механизм работает как жесткая система.
После того как кулачок сбегает с толкателя, давление под плунжером падает, и масло из магистрали снова устремляется под плунжер, восполняя утечку, произошедшую за рабочий ход толкателя вследствие просачивания масла через зазоры между плунжером и стаканом. [13]
Они применяются дляклапанов двигателей внутреннего сгорания. Сильхромали 15Х6СЮ ( жаростоек до 850 С), 10Х13СЮ ( до 950 С), 15Х18СЮ ( до 1050 С) устойчивы в серосодержащих соединениях. [14]
Гидравлический толкатель приводаклапанов двигателя внутреннего сгорания ( рис. 231, б) состоит из стакана 1, в котором скользит плунжер 2 со сферическим гнездом йод Шток клапанного механизма. ПО системе каналов в полость А под плунжером подается масло из нагнетательной магистрали двигателя.
Открывая запорный шариковый клапан, масло выдвигает плунжер из стакана до полного выбора зазора h во всех звеньях механизма. Давление, оказываемое маслом на плунжер, уравновешивают, усиливая пружину клапана или устанавливая на толкатель дополнительную возвратную пружину.
При набегании кулачка на толкатель Давление масла под плунжером возрастает, вследствие чего шариковый клапан закрывается. Усилие привода передается через столб масла, запертого в полости А. ВслеДстйие практической несжимаемости масла механизм работает как жесткая Система.
После того как кулачок сбегает с толкателя, давление ПОД плунжером падает, и Масло из магистрали снова устремляется ИОД. [15]
Страницы: 1 2 3 4
Как работают клапаны в двигателе?
Если Вы читали статью о работе двигателя, то знаете, что существует 4 такта работы мотора:
- впуск,
- сжатие,
- сгорание,
- 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).
Как работают клапаны в двигателе? Видео
ДвигательРабота двигателяКлапаныРаспределительный валРемень ГРМ Ведь друзья тоже любят интересные статьи!
Рефераты, дипломные, курсовые работы – бесплатно: Библиофонд!
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
СУМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
На тему: Защита выпускного клапана двигателя внутреннего сгорания
Выполнила: Мысливченко А.Н.
группа МТ-71
Проверила: Марченко С.В.
Сумы
2009 г.
1. Заданная деталь: выпускной клапан двигателя внутреннего сгорания
o Клапан служат для периодического открытия и закрытия отверстий впускных и выпускных каналов в зависимости от положения поршней в цилиндре и от порядка работы двигателя. Клапан состоит из головки и стержня.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – устройство, преобразующее тепловую энергию, получаемую при сгорании топлива в цилиндрах, в механическую работу.
Рисунок 1 – Общий вид двигателя
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания работает по следующему принципу;
Рисунок 2 – Впуск горючей смеси
Впуск – поршень перемещается от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Открыто впускное отверстие. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра создается разрежение 0,075 – 0,085 МПа, а температура смеси находится в пределах 90 -125° С. Цилиндр заполняется свежим зарядом горючей смеси.
Сжатие – поршень движется от н.м.т. кв. м.т. Впускное и выпускное отверстия закрыты. Объем над поршнем уменьшается, а давление и температура к концу такта соответственно достигают величин 1,0…1,2 МПа и 350. 450° С. Рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание паров бензина с воздухом.
Рабочий ход (сгорание и расширение) – сжатая рабочая смесь воспламеняется искрой. Поршень под давлением расширяющихся газов перемещается от в. м. т. к н.м.т. Впускное и выпускное отверстия закрыты. Давление газов достигает величины 3,5…4,0 МПа, а температура доходит до 2000° С.
Выпуск – поршень движется от н.м.т. кв. м.т. Открыто выпускной клапан. Давление газов снижается до 0,11…0,12 МПа, а температура-до 300…400° С.
Рисунок 4 – Выпуск газов при помощью опускания выпускного клапана (вид А)
2. Условия работы выпускного клапана
Клапаны двигателя внутреннего сгорания функционируют в экстремальных условиях. Они подвержены совместному действию переменной механической нагрузки, высокой температуры, износа, коррозии и эрозии.
Во время работы двигателя температура нагрева головки клапана может достигать 800˚С, стержень нагружен циклическими растягивающими усилиями пружины, поверхность стержня подвергается сильному воздействию факторов трения, торец стержня испытывает интенсивные контактные нагрузки.
Клапаны и седла клапанов подвергаются износу в результате ударов головки клапана о седло, повторяющихся с большой частотой, коррозионному действию агрессивных отработавших газов при повышенной температуре, а также эрозионному действию струи газа и продуктов неполного сгорания топлива.
После некоторого периода, работы седло покрывается нагаром, который под влиянием высокой температуры накаляется, что приводит к выжиганию опорной поверхности клапана и потере герметичности.
Не герметичность клапанов, в свою очередь, приводит к нарушениям в работе двигателя, к которым относятся затрудненный запуск, уменьшение мощности и др. При этом через образовавшиеся щели под высоким давлением проходит струя горячих рабочих газов, сильно нагревающих головку клапана.
Вследствие такого нагрева края головки подправляются и клапан разрушается. С течением времени материал клапана может настолько снизить свою прочность в результате выгорания некоторых компонентов сплава, что возможен даже отрыв головки от стержня клапана.
На интенсивность износа седел клапанов влияет также состав всасываемой в цилиндры смеси. Вели смесь слишком бедную, то сгорание происходит при более высокой температуре и коррозионное действие отработавших газов оказывается сильнее. Когда смесь слишком богата, сгорание идет медленнее и при более низкой температуре. Несгоревшие тяжелые фракции топлива ускоряют осаждение слоя нагара, коррозионно-агрессивного к материалу клапана. Поэтому к клапанам предъявляются очень жесткие технические и качественные требования.
Возможные причины выхода из строя или дефектов при эксплуатации выпускных клапанов.
Характерными дефектами выпускных клапанов являются их прогорание и зависание, обрыв клапанных тарелок (термическое разрушение донышка). На выпускные клапаны приходится до 12% общего числа отказов по дизелю.
Основная доля отказов (около 60 %) связана с разрушением рабочих поисков клапанов и их седел из-за образования глубоких раковин, требующих проточки и притирки. Наблюдается также изнашивание стержня по длине и направляющих втулок.
( Следует отметить, что выпускные клапаны и седла изнашиваются гораздо быстрее впускных, так как их коррозия развивается интенсивнее.)
Наибольший урон выпускным клапанам наносит газовая коррозия. Газовая коррозия – коррозия металлов, вызываемая действием паров и газов обычно при высоких температурах Металлы окисляются кислородом, парами воды, оксидом углерода, оксидом серы по следующих уравнениях;
2Ме + О2 + t→ 2MeO
Me + C О2 + t→ MeO + CO
Me + H2O + t→ MeO + H2
3 Me +SО2 + t→ 2MeO + MeS
Материалы используемые для производства выпускных клапанов.
Для клапанов используется всегда жаростойкая (чаще всего хромистая) сталь, содержащая 8-15% Сг, 2-3% Si, 0,45% С. Например: 4Х10С2М(ЭИ107) Клапаны двигателей, крепежные детали, работающие при 600-650°С. 3Х13Н7С2 (ЭИ72,)- Клапаны впуска авиадвигателей и выпуска автомобильных, тракторных двигателей.
5Х20Н4АГ9 (ЭП3О3) Клапаны выпуска автомобильных двигателей. В авиационных поршневых двигателях, как в отечественной, так и зарубежной практике для выпускных клапанов используют хромоникельвольфрамомолибденовую сталь марки 4Х14Н14В2М (ЭИ69).
Прогрессивные технологические решения для увеличения срока службы выпускных клапанов.
3. Способ защиты – плазменно-порошковая наплавка
Из существующих способов плазменно-порошковая наплавка получила наибольшее распространение как наиболее универсальный метод.
При плазменно-порошковой наплавке присадкой служат гранулированные металлические порошки, которые подаются в плазмотрон транспортирующим газом с помощью специального питателя.
Метод порошковой плазменной наплавки (ППН) является наиболее оптимальным по производительности, цене и качеству.
Достоинства метода плазменной наплавки заключаются в следующем:
· высокая производительность наплавки – выше 25 кг/ч;
· низкая растворимость основного металла в наплавленном слое (до 5%);
· высокое качество наплавленного металла;
· возможность наплавки относительно тонких слоев (0,5-5,0 мм).
Важной особенностью ППН является отличное формирование наплавленных валиков, стабильность и хорошая воспроизводимость их размеров.
Установлено, что у 95% наплавленных деталей отклонение толщины наплавленного слоя от номинального размера не превышает 0,5 мм.
Это позволяет существенно сократить расход наплавочных материалов, время наплавки, а также затраты на механическую обработку наплавленных деталей.
Установление взаимосвязи между температурой оплавления порошка и временем выдержки при температуре оплавления порошка позволяет регулировать и управлять свойствами покрытия.
Оптимальный выбор технологических режимов процесса плазменной наплавки обеспечивает минимальное перемешивание наплавляемого материала с основным металлом, практически, с нулевой глубиной проплавления (что позволяет при однослойной наплавке обеспечить заданный состав даже тонкого слоя покрытия), а также минимальную окисляемость наплавляемого материала за счёт специальной инертной или восстановительной защитной среды.
Плазменная порошковая наплавка обеспечивает высокую работоспособность деталей за счет отличного качества наплавленного металла, его однородности, а также благоприятной структуры, определяемой специфическими условиями кристаллизации металла сварочной ванны.
Производительность плазменной наплавки с введением порошкообразного материала в столб дуги транспортирующим газом можно повышать либо за счет увеличения тепловой мощности дуги, либо за счет более эффективного нагрева порошка в дуге.
Особенности процессов плавления присадочного и основного металлов при плазменной наплавке обусловлены возможностью регулировать в широком диапазоне соотношение между тепловой мощностью дуги, количеством и температурой подаваемого в сварочную ванну присадочного порошка.
Изменяя это соотношение, можно обеспечить минимальное проплавление основного металла.
В качестве материала выбираются композиционные порошки на основе железа (в том числе и нержавеющие стали), кобальта, никеля (в том числе и самофлюсующиеся), обладающие свойствами обеспечивающими коррозионную, ударную, тепловую стойкости и устойчивость к износу.
Для автоматизации процесса применяются роботизированные комплексы, обеспечивающие непрерывность процесса изготовления упрочненных клапанов.
Чрезмерное повышение температуры оплавления сплава и времени выдержки при температуре оплавления приводит к огрублению структуры, снижению механических свойств основы и покрытия.
Детали при наплавке быстро нагреваются до высоких температур; изменяются тепловые условия формирования покрытий, увеличиваются глубина проплавления и степень перемешивания материалов покрытия и основы, наплавочный материал в покрытии теряет свои исходные свойства.
Необходимость управления тепловыми условиями плазменно-порошковой наплавки, выбора оптимальных режимов диктует необходимость построения физико-математической модели с последующим использованием ее в компьютерном проектировании и управления процессом нанесения покрытий.
Благодаря возможности регулирования в широком диапазоне соотношения между тепловой мощностью дуги и подачей присадочного порошка, плазменная порошковая наплавка обеспечивает достаточно высокую производительность при минимальном проплавлении основного металла, что позволяет обеспечивать требуемую твердость и заданный химический состав наплавленного металла уже на расстоянии 0,3-0,5 мм от поверхности сплавления. Это дает возможность ограничиться однослойной наплавкой там, где электродуговым способом необходимо наплавить 3-4 слоя.
Основными преимуществами этого метода являются:
· гибкость регулирования тепловложения как в основной металл, так и в наплавляемый материал;
· минимальная зона термического влияния; высокая плотность и прочность наплавленного металла;
· снижение деформаций изделий; высокая производительность;
· удобство нанесения покрытий
4. Способ защиты – лазерное легирование
Для осуществления процесса лазерного легирования необходимо, чтобы температура металла на поверхности достигала значений, немного превышающих температуру его плавления. В процессе плавления материала основы происходит интенсивное перемешивание его с легирующими элементами, размещенными на обрабатываемой поверхности.
Глубина легирования определяется мощностью луча лазера, его диаметром и скоростью сканирования. Глубина легирования в зависимости от режимов обработки насыщенного и легирующего материалов может достигать, например при насыщении углеродистой стали кобальтом, 1, 2 мм.
Лазерное легирование позволяет значительно повысить износостойкость, коррозионную стойкость и противоударную прочность клапанов. Большое распространение в двигателестроении получила наплавка. Для наплавки фасок клапанов применяются различные методы и материалы на кобальтовой и никелевой основе, например стеллиты (4.5 % W, 30 % Сг, 60 % Со, остальное С, Fe, и Si).
Толщина наплавленных твердых сложных сплавов типа стеллитов, например вольфрамохромокобальтового сплава ВЗК или нихрома Х20Н80, составляет 1-1,5 мм- Сплав наносится на поверхность нагретой заготовки. Стеллитовые покрытия превышают твердость поверхности в большей степени, чем закалка или азотирование. Сплавы ВЗК и Х20Н80 обладают хорошей жаростойкостью до 1000-1100° С.
Твердость ВЗК около HRC 70. Нихром имеет меньшую твердость, но благодаря большой пластичности лучше прирабатывается к седлу; плотное прилегание обеспечивается даже при короблении седел.
5. Способ защиты – наплавка токами высокой частоты
В отечественном двигателестроении применяют также наплавку с использованием токов высокой частоты. Сущность процесса наплавки токами высокой частоты заключается в следующем: на заготовку клапана, в выточку, укладывается кольцо из жаропрочного сплава, зона наплавки защищается от окисления порошковым флюсом или газовой защитой (аргон, азот).
Для кристаллизации расплавленного сплава на торец клапана снизу подается вода, в результате происходит «намораживание», т. е. направленная кристаллизация сплава. Равномерность нагрева обеспечивается вращением клапана.
Для наплавки клапанов ТВЧ разработаны специальные самофлюсующиеся сплавы на никель-хром-бористой основе, такие как НХ16С2Р2 (ЭП616), НХ26С2Р2 (ЭП616А), НХ24С2Р2Б (ЭП616Б), и НХ10С2Р2 (ЭП616В), которые в четыре раза дешевле кобальтовых стеллитов, имеют высокую стойкость против коррозии и достаточную горячую твердость.
На рабочей наплавленной поверхности клапана не должно быть трещин, раковин и неметаллических включений. На клапанах с диаметром тарелки более 70 мм допускаются отдельные участки междендритной усадочной пористости, количество и размеры которых установлены технической документацией на конкретные клапаны. Участки пористости не должны выходить на края притираемой поверхности.
Отсутствие трещин, закатов, раскованных и раскатанных пузырьков проверяют методами магнитной дефектоскопии, а для немагнитных материалов – капиллярным методом. Зарубежные фирмы на промежуточную наплавку, в основном выполненную из сплава на кобальтовой основе (стеллит-6 твердостью HRC 39-49 и др.
), наплавляют еще слой твердого коррозионно-стойкого сплава на никелевой основе (70 % Ni и более) с высокой твердостью (HRC 48-62). Для увеличения стойкости клапанов торец стержня клапана также наплавляют износостойким материалом, а поверхности стержня подвергают азотированию или хромированию.
Сравнительная характеристика методов восстановления клапанов.
В таблице 1 представлены характеристики основных методов, используемых для упрочнения и ремонта клапанов двигателей внутреннего сгорания.
Таблица 1
|
Название метода |
Растворимость основного металла |
Сцепление с основой |
Степень автоматизации |
|
Наплавка ТВЧ |
20 – 30% |
отличное |
полуавтомат |
|
Лазерное легирование |
5 – 10% |
отличное |
полуавтомат |
|
Плазменная наплавка |
2 – 5% |
отличное |
полная |