Posledním článkem mechanismu distribuce plynu je skupina ventilů, která zahrnuje ventil, pružinu, ventilové a pružinové montážní díly, vodicí pouzdro a sedlo ventilu.
Ventilová skupina pracuje při vysokém mechanickém a tepelném zatížení. Nejzatíženější je rozhraní ventil-sedlo. Tyto části jsou vystaveny největšímu vlivu při usazení ventilu a pracují při vysokých teplotách.
Rozhraní „ventil-sedlo-vodicí pouzdro“ pracuje s nedostatečným mazáním a vysokou rychlostí pohybu ventilu, což způsobuje intenzivní opotřebení.
Na základě podmínek, ve kterých části této skupiny časování pracují, jsou na skupinu ventilů kladeny následující požadavky:
- hermeticky uzavřené ventily;
- nízká odolnost vůči pracovní směsi a výfukovým plynům při sání a výfuku (dobré proudění);
- minimální hmotnost dílů;
- vysoká pevnost a tuhost;
- vysoká tepelná odolnost;
- efektivní odvod tepla z ventilu (zejména pro výfuk);
- vysoká odolnost proti opotřebení (zejména v rozhraní „ruka-ventil“);
- vysoká odolnost proti korozi v rozhraní sedlo-ventil.
Ventily
Ventily otevírají a zavírají sací a výfukové kanály v hlavě válců. Hlavní prvky ventilu: hlava 12 a tyč 9 (obr. 1). Hlava ventilu se někdy nazývá kotouč ventilu.
Plynulý přechod z hlavy na tyč snižuje odpor vůči proudění plynů při jejich proudění skrz otvory pro výměnu plynů. Protože výfukové plyny jsou odváděny výfukovým ventilem pod značným tlakem, je hlava tohoto ventilu obvykle vyrobena z menšího průměru než hlava sacího ventilu.
Teplota hlavy výfukového ventilu benzínových motorů dosahuje 800…900 ˚Сa u dieselových motorů – 500…700 ˚С.
Teplotní zatížení hlav sacích ventilů je výrazně nižší, ale přesto má za následek zahřívání talíře ventilu až 300˚С.
Proto se pro výrobu výfukových ventilů používají žáruvzdorné slitiny a materiály, kterými jsou zpravidla žáruvzdorné oceli s vysokým obsahem legujících přísad. Aby se ušetřily drahé tepelně odolné materiály, jsou výfukové ventily vyrobeny ze dvou částí. V tomto případě je pro hlavu použit žáruvzdorný materiál a pro tyč uhlíková ocel.
Hlava a tyč jsou v tomto případě navzájem spojeny svařováním na tupo.
Pro zvýšení odolnosti proti korozi a snížení opotřebení výfukových ventilů jsou pracovní plochy zkosení a v některých případech i povrch hlavy na straně válce pokryty vrstvou tvrdé slitiny tl. 1,5 . 2,5 mm (obr. 1).
Vzhledem k tomu, že sací ventily jsou promývány čerstvou náplní a jsou v lehčích teplotních podmínkách, jsou na materiál sacích ventilů kladeny méně přísné požadavky a pro jejich výrobu se používají chromové a chromniklové středně uhlíkové oceli.
Usměrnění ventilu a výkon jeho zkosení do značné míry závisí na tvaru hlavy. U sacích ventilů se častěji používají ploché hlavy (viz obr. 1 a 2), vyznačující se jednoduchostí konstrukce a dostatečnou tuhostí. U vysoce výkonných motorů se někdy používají sací ventily s konkávní hlavou (viz obr. 1, v). Tyto ventily mají menší hmotnost než ventily s plochou hlavou a jejich pohyb způsobuje menší setrvačné zatížení.
Hlavy výfukových ventilů jsou buď ploché (rýže. 1, 2 a 3, g), nebo konvexní (rýže. 3, b). Konvexní tvar hlavy zlepšuje proudění ventilu ze strany válce a zvyšuje jeho tuhost, ale zároveň se zvětšuje hmota ventilu, což negativně ovlivňuje jeho setrvačnost.
Rozhraní mezi ventilovou deskou (hlavou) a sedlem je provedeno podél zkosení – speciálního pásu na boční ploše hlavy. Úhel zkosení sacích ventilů u většiny motorů je 45˚a na promoci – 45 и 30˚.
Při výrobním procesu ventilů se zkosení hlav brousí a při montáži na motor se brousí až k sedlu. Šířka zkosení zeminy pro výfukové ventily musí být min 0,8 mm; u sacích ventilů je povolen užší pás, který by však neměl být po obvodu obvodu zkosení přerušen.
Aby byl zajištěn spolehlivý kontakt mezi ventilem a sedlem podél vnější hrany zkosení ventilu, je úhel zkosení ventilu vytvořen na 0,5…1˚ menší než úhel zkosení sedadla.
Korozivní a mechanické opotřebení zkosení na ventilu a sedle dramaticky snižuje účinnost motoru. Během provozu se na zkosení výfukových ventilů postupně usazují karbonové usazeniny, které zároveň brání vzduchotěsnému uzavření výfukového otvoru. Aby se zabránilo tvorbě karbonových usazenin na zkosení výfukových ventilů a zvýšila se jejich životnost, je u některých motorů výfukový ventil za provozu nuceně otáčen pomocí speciálního mechanismu (viz obr. 1, poz. 5).
Mechanismus nuceného otáčení ventilu (obr. 4) se skládá z pevného tělesa 3, umístěný ve vybráních tohoto těla pěti kuliček 2 s vratnými pružinami 1, kuželová talířová pružina 4, nosná deska 5 a ventilové pružiny 7.
Všechny sestavené díly jsou upevněny pružinovým kroužkem 6.
Když se ventil otevře silou pružiny, talířová pružina 4, spočívající na rameni těla, když je ventil uzavřen 3, deformuje se a padá na koule 2, které jsou v tuto chvíli umístěny v mělké části vybrání pouzdra.
Pod tlakem pružiny se kuličky kutálejí po vybrání pouzdra do hlubší části a přitom otáčejí kuželovou pružinou 4, nosná deska 5, pružinu ventilu a samotný ventil kolem své osy.
Po uzavření ventilu, když síla ventilové pružiny klesá, kuželová talířová pružina 4 se vrací do původní polohy, zatímco kuličky jsou uvolněny vratnými pružinami 1 přesuňte do mělčí části vybrání v krytu 3, příprava mechanismu na další cyklus práce.
U motorů značek ZMZ a YaMZ je schopnost otáčet sacími a výfukovými ventily během provozu zajištěna instalací mezilehlého pouzdra mezi nosnou desku a crackery (viz obr. 1, poz. 13; rýže. 2, poz. jedenáct; rýže. 11, poz. 3).
Mezilehlá pouzdra mají malou kontaktní plochu s pohyblivými opěrnými deskami pružiny, proto je tření mezi těmito částmi malé. Proto, když se ventil otevře, v důsledku vibrací všech částí mechanismu se ventil periodicky otáčí.
Pod zkosením má hlava ventilu válcový řemen, který ji chrání před spálením, udržuje průměr talíře ventilu při broušení a zajišťuje tuhost hlavy.
Aby se zabránilo pádu ventilu do válce v případě prasknutí dříku nebo pružiny ventilu, lze na dřík ventilu nainstalovat pojistný kroužek (viz obr. 3, d, poz. 1).
Konce tyčí (patky ventilů) v kontaktu s vahadlem nebo vačkou jsou kalené. U některých motorů se místo vytvrzení nasadí na konce tyčí čepičky (viz obr. 1, poz. 21) z materiálů a slitin odolných proti opotřebení.
Na dříku sacího ventilu je umístěna pryžová krytka (viz obr. 3, e, poz. 5), který při sacím zdvihu zabraňuje průchodu oleje do spalovacího prostoru mezerou mezi vřetenem a vedením ventilu.
Aby se výfukové ventily při tepelné roztažnosti nezasekly v otvoru vodícího pouzdra, mají jejich tyčky u hlavy o něco menší průměr než po zbytku délky.
Pro uchycení ventilových pružin je na konci tyče vytvořeno jedno nebo dvě vybrání, do kterých při montáži zapadají výstupky krekrů. 2 (rýže. 3, d, f).
Pro snížení teploty výfukových ventilů se zmenšuje průměr jejich hlav a zvětšuje se průměr vřetene. Toto technické řešení umožňuje zvýšit tepelný odpor ventilu, ale zvyšuje odolnost proti proudění výfukových plynů. Protože jsou však výfukové plyny vyfukovány z válce pod značným tlakem (ve srovnání s tlakem v sání), je tento nedostatek zanedbán.
Efektivnější metodou je nucené chlazení výfukových ventilů. K tomu je dřík výfukového ventilu dutý (viz obr. 1, a, c) a naplněné kovovým sodíkem, který má nízkou teplotu tání (97˚С). Během provozu se kapalný sodík ohřátý z hlavy ventilu odpařuje a absorbuje velké množství tepla. Po vystoupání do horní části tyče sodíkové páry kondenzují a předává teplo horní části tyče, která pracuje za méně tepelně namáhaných podmínek.
Pružiny ventilů
Ventilová pružina musí zajistit, aby ventil těsně zapadl do sedla. Pracuje v podmínkách prudce se měnícího dynamického zatížení, které může způsobit rezonanci a následné prasknutí pružiny.
Nejčastěji se používají válcové vinuté pružiny s konstantním stoupáním závitů.
K zamezení rezonančních jevů lze použít pružiny s proměnným stoupáním, kuželové pružiny a dvojité pružiny. Při použití dvojitých pružin se zvyšuje spolehlivost rozvodu a zmenšuje se celková velikost pružin.
Směr závitů vnitřní a vnější pružiny je odlišný, aby se eliminovala rezonance a v případě zlomení jedné z pružin se zabránilo vniknutí nečistot mezi závity druhé pružiny.
Ventilové pružiny jsou vyrobeny stočeným pružinovým ocelovým drátem. Po navinutí jsou pružiny podrobeny tepelnému zpracování (kalení a popouštění) a pro zvýšení únavové pevnosti jsou otryskány ocelovými broky.
Koncové závity pružin jsou broušeny, aby se získala plochá prstencová dosedací plocha. Pro zvýšení odolnosti proti korozi jsou pružiny oxidované, galvanizované a pokovené kadmiem.
Pružiny spočívají na hlavě válců pomocí speciálních pevných desek (viz obr. 2, poz. 4), které jsou vylisovány stejně jako horní pohyblivé desky z měkké oceli. Horní pružinová deska je připevněna k ventilu pomocí krabiček.
Vedení ventilů
Vodicí pouzdro zajišťuje pohyb ventilu a odvod tepla z jeho tyče během provozu. V tomto případě je spodní konec samotné průchodky (zejména výfukový ventil) omýván horkými plyny. Při nedostatečném přísunu maziva do mezer mezi dříkem ventilu a vnitřním povrchem pouzdra se tření mezi těmito částmi blíží polosuchému.
Z tohoto důvodu vyžaduje materiál vodicích pouzder vysokou odolnost proti opotřebení, dostatečnou tepelnou odolnost a dobrou tepelnou vodivost. Kromě toho musí mít vysoké vlastnosti proti tření. Tyto požadavky splňuje perlitická šedá litina, hliníkový bronz, slinutý chrom nebo chromniklová keramika. Porézní struktura těchto materiálů dobře zadržuje mazivo.
Pro upevnění v hlavě válců jsou pouzdra vyrobena s vybráním pro pružinový kroužek (viz obr. 3, a, poz. 1) nebo s vnějšími rameny.
Mezera mezi vodicí objímkou a dříkem ventilu je u sacích ventilů nastavena menší než u výfukových ventilů z důvodu rozdílných teplot ohřevu. Aby se zabránilo zadření ventilu v pouzdru při vysokých teplotách a nesouososti (v pohonu ventilu přímo od vačkového hřídele), je spodní vnitřní plocha pouzdra vytvořena kónicky (viz obr. 3, g) nebo zmenšit průměr dříku ventilu u hlavy (viz obr. 1, b).
Sedla ventilů
Sedlo ventilu zajišťuje trvanlivost kontaktní plochy ventilu s hlavou válců. Hlavy z hliníkové slitiny používají ocelová sedla, zatímco litinové hlavy jsou vyvrtány přímo do těla (viz obr. 2, a). Pro výrobu sedel vložek se používá speciální legovaná litina nebo žáruvzdorná ocel. Pro zvýšení odolnosti proti opotřebení jsou zkosení sedel výfukových ventilů tavena vrstvou tvrdé slitiny (viz obr. 1, poz. 18).
Sedlo je prstenec s válcovým nebo kuželovým vnějším povrchem. Sedák je připevněn k hlavě s přesahem při stlačení nebo zatlučením hlavy (viz obr. 3, k). Ocelové sedačky lze zajistit rozšířením horní části sedačky (viz obr. 3, l). Při upevňování sedel lisováním se na jejich vnějším povrchu často vytvářejí prstencové drážky (viz obr. 3, h, i), které jsou během lisování naplněny hlavovým kovem.
Válcová sedla jsou vložena nadoraz a kuželová sedla jsou vložena s malou koncovou mezerou.
Pro získání spolehlivého utěsnění je límec sedadla, široký asi 2 mm, vyroben s proměnným úhlem (viz obr. 3, f).
Ventilový mechanismus je přímo aktuátorem rozvodu, který zajišťuje včasné přivádění směsi vzduch-palivo do válců motoru a další uvolňování výfukových plynů. Klíčovými prvky systému jsou ventily, které zároveň zajišťují těsnost spalovací komory. Jsou vystaveni velkému zatížení, proto jsou na jejich práci kladeny zvláštní požadavky.
Zařízení ventilového mechanismu
Konvenční motor vyžaduje k provozu minimálně dva ventily na válec. Jeden vstup a jeden výstup. Samotný ventil se skládá z tyče a desky (hlavy). Místo, kde dochází ke kontaktu desky s hlavou válců, nazývám sedlem. Sací ventily mají větší průměr talíře než výfukové ventily. To zajišťuje lepší plnění spalovací komory směsí vzduchu a paliva.
Celý ventilový mechanismus se skládá z následujících hlavních prvků:
- sací a výfukové ventily;
- vodicí pouzdra (poskytují přesný směr pohybu ventilu);
- pružina (vrací ventil do původní polohy);
- sedlo ventilu (bod kontaktu mezi kotoučem a tělem);
- krekry (dva krekry poskytují nosnou plochu pro pružinu a fixují celou konstrukci);
- těsnění dříku ventilu nebo olejové kroužky (zabraňují vniknutí oleje do válce);
- tlačník (přenáší tlak z vačky vačkového hřídele).
Vačky na vačkovém hřídeli tlačí na ventily. Jejich návrat do původní polohy zajišťuje pružina. Pružina je připevněna k tyči pomocí krekrů a pružinové desky. Pro tlumení rezonančních vibrací lze na tyč nainstalovat ne jednu, ale dvě pružiny s všestranným vinutím.
Vodicí pouzdro je válcová část. Snižuje tření a zajišťuje hladký a správný pohyb tyče. Během provozu jsou tyto části také vystaveny namáhání a teplotě. Proto se pro jeho výrobu používají slitiny odolné proti opotřebení a žáruvzdorné. Pouzdra výfukových a sacích ventilů se od sebe mírně liší kvůli rozdílu v zatížení.
pracovní funkce
Ventily jsou neustále vystaveny vysokým teplotám a tlakům. To vyžaduje zvláštní pozornost věnovanou designu a materiálům těchto dílů. To platí zejména pro výfukovou skupinu, protože přes ně unikají horké plyny. Deska výfukového ventilu u benzínových motorů se může zahřát na 800˚С – 900˚С a u dieselových motorů na 500˚С – 700˚С. Zatížení sací desky je několikanásobně nižší, ale také dosahuje 300˚C, což je také poměrně hodně.
Proto se při jejich výrobě používají žáruvzdorné slitiny kovů obsahující legovací přísady. Také výfukové ventily mají často dutý dřík naplněný sodíkem. Děje se tak pro lepší termoregulaci a chlazení desky. Sodík uvnitř tyče se taví, proudí a odebírá část tepla z desky a předává ji tyči. Tímto způsobem se můžete vyhnout přehřátí součásti.
Během provozu se mohou na sedadle tvořit karbonové usazeniny. Aby se tomu zabránilo, používají se konstrukce, které otáčejí ventilem. Sedlo je kroužek vyrobený z vysoce pevných ocelových slitin, který je nalisován přímo na hlavu válce pro těsnější kontakt.
Pro správnou funkci mechanismu je také nutné dodržet regulovanou tepelnou mezeru. Vysoké teploty způsobují roztahování dílů, což může způsobit poruchu ventilu. Mezera se nastavuje mezi vačkami vačkového hřídele a tlačnými prvky výběrem speciálních kovových podložek určité tloušťky nebo samotných tlačných prvků (hrnků). Pokud motor používá hydraulické kompenzátory, nastavuje se mezera automaticky.
Příliš velká tepelná mezera zabrání úplnému otevření ventilu, a proto budou válce méně efektivně naplněny čerstvou náplní. Malá mezera (nebo její nedostatek) neumožní úplné uzavření ventilů, což povede k jejich vyhoření a snížení komprese v motoru.
Počet ventilů
V klasické verzi potřebuje čtyřtaktní motor k provozu pouze dva ventily pro každý válec. Moderní motory jsou ale stále náročnější na výkon, spotřebu paliva a šetrnost k životnímu prostředí, takže to už jim nestačí. Protože čím více ventilů, tím efektivněji se válec naplní čerstvou náplní. V různých časech byla na motorech vyzkoušena následující schémata:
- tříventil (sání – 2, výfuk – 1);
- čtyřventil (sání – 2, výfuk – 2);
- pětiventil (sání – 3, výfuk – 2).
Lepšího plnění a čištění válce je dosaženo použitím více ventilů na válec. To ale komplikuje konstrukci motoru.
Dnes jsou nejoblíbenější motory se 4 ventily na válec. První takové motory se objevily již v roce 1912 na Peugeot Gran Prix. V té době se toto řešení příliš nepoužívalo, ale od roku 1970 se začaly aktivně vyrábět sériové vozy s tímto počtem ventilů.
Pohonné zařízení
Za správnou a včasnou činnost ventilového mechanismu odpovídá vačkový hřídel a rozvodový pohon. Konstrukce a počet vačkových hřídelů pro každý typ motoru se volí individuálně. Součást je hřídel, na které jsou vyrobeny vačky určitého tvaru. Při otáčení vyvíjejí tlak na tlačná zařízení, hydraulické kompenzátory nebo vahadla a otevírají ventily. Typ okruhu závisí na konkrétním motoru.
Vačkový hřídel je umístěn přímo v hlavě válců. Pohon k němu pochází od klikového hřídele. Může to být řetězový, řemenový nebo ozubený pohon. Nejspolehlivější je řetězová, ale vyžaduje další konstrukční řešení. Například tlumič pro tlumení vibrací řetězu a napínák. Rychlost otáčení vačkového hřídele je dvakrát nižší než rychlost otáčení klikového hřídele. Tím je zajištěna koordinace jejich práce.
Počet vačkových hřídelů závisí na počtu ventilů. Existují dvě hlavní schémata:
- SOHC (jednohřídelová);
- DOHC (dvojitý hřídel).
Pokud jsou pouze dva ventily, stačí jeden vačkový hřídel. Otočný zajišťuje střídavé otevírání sacích a výfukových ventilů. Nejběžnější čtyřventilové motory mají dva vačkové hřídele. Jeden zajišťuje činnost sacích ventilů a druhý výfukových ventilů. Motory s válci ve tvaru V mají čtyři vačkové hřídele. Dvě na každé straně.
Lopatky vačkového hřídele netlačí přímo na dřík ventilu. Existuje několik typů „zprostředkovatelů“:
- válečkové páky (vahadlo);
- mechanické posunovače (poháry);
- hydraulické posunovače.
Upřednostňovanou konstrukcí jsou válečkové páky. Hydraulický posunovač je přitlačován tzv. vahadlem, které se kývá na násuvných nápravách. Pro snížení tření má páka váleček, který se přímo dotýká vačky.
Jiné schéma využívá hydraulické tlačníky (kompenzátory řas), které jsou umístěny přímo na tyči. Hydraulické kompenzátory automaticky upravují tepelnou mezeru a zajišťují měkký a méně hlučný chod mechanismu. Tato malá část se skládá z válce s pístem a pružinou, olejových kanálků a zpětného ventilu. K ovládání hydraulického tlačníku se používá olej, který je přiváděn z mazacího systému motoru. Více o hydraulických kompenzátorech si můžete přečíst v samostatném článku na našem webu.
Mechanické posunovače (hrnky) jsou na jedné straně uzavřeným pouzdrem. Jsou instalovány ve skříni hlavy válců a přímo přenášejí sílu na dřík ventilu. Jejich hlavní nevýhodou je nutnost pravidelně upravovat mezery a klepání při provozu na studeném motoru.
Klepání během provozu
Za hlavní poruchu ventilů (nepočítáme-li vyhoření) je považováno klepání na studený nebo horký motor. Klepání u studeného motoru zmizí po zvýšení teploty. Když se zahřejí a roztáhnou, tepelná mezera se uzavře. Dalším důvodem může být viskozita oleje, který se nedostává do hydraulických kompenzátorů v požadovaném objemu. Znečištění olejových kanálků kompenzátoru může také způsobit charakteristický klepavý zvuk.
U horkého motoru mohou ventily klepat kvůli nízkému tlaku oleje v mazacím systému, znečištěnému olejovému filtru nebo nesprávné tepelné vůli. Je třeba také vzít v úvahu přirozené opotřebení dílů. Poruchy mohou být v samotném ventilovém mechanismu (opotřebení pružiny, vodícího pouzdra, hydraulických tlačníků atd.).
Nastavení vůle
Seřízení se provádí pouze na studeném motoru. Aktuální tepelná mezera je určena speciálními kovovými plochými sondami různých tlouštěk. Ke změně vůle na vahadlech slouží speciální seřizovací šroub, který se otáčí. V systémech s tlačnými nebo podložkami se nastavení provádí výběrem dílů požadované tloušťky.
Zvažte postupný proces seřizování ventilů pro motory s tlačnými (brýlemi) nebo podložkami:
- Demontujte kryt ventilu motoru.
- Otočte klikovým hřídelem tak, aby píst 1. válce byl v TDC. Pokud je to obtížné provést podle značek, můžete odšroubovat zapalovací svíčku a vložit šroubovák do studny. Jeho maximální pohyb nahoru ukáže mrtvý bod.
- Pomocí sady spároměrů změřte vůli ventilů pod vačkami, které netlačí na zdvihátka. Spároměr by se měl pohybovat těsně, ale ne příliš volně. Zapište si číslo ventilu a vůli.
- Otočte klikovým hřídelem o jednu otáčku (360°) tak, aby byl píst 4. válce v TDC. Změřte mezeru pod zbývajícími ventily. Zaznamenejte data.
- Zkontrolujte, které ventily mají mezery mimo toleranci. Pokud nějaké existují, vyberte tlačná zařízení požadované tloušťky, vyjměte vačkové hřídele a nainstalujte nové misky. Tím je postup dokončen.
Doporučuje se zkontrolovat mezeru každých 50-80 tisíc kilometrů. Standardní vůle naleznete v příručce pro opravy vašeho vozidla.
Povolená vůle sacích a výfukových ventilů se může někdy lišit.
Správně nakonfigurovaný a nastavený mechanismus distribuce plynu zajistí hladký a hladký chod spalovacího motoru. To se pozitivně projeví i na životnosti motoru a pohodlí řidiče.
