Клапан сломался... но почему?

     Слово «сломался» в буквальном смысле означает, что клапан потерял целостность, то есть оказался разделенным на два (или более) фрагментов, но не объясняет в чем заключался дефект. Здесь мы расскажем о нескольких вероятных причинах поломок клапанов. Сразу стоит отметить, что эта статья посвящена самим клапанам, а из прочих деталей и узлов двигателя упоминаются только те, которые чаще всего приводят к выходу клапанов из строя.

     Когда мы смотрим на двигатель, работающий под полной нагрузкой, то становится понятно, что условия работы клапанов очень жесткие: при подобных значениях ускорений, скоростей и температур требуются не такие уж большие отклонения от нормы, чтобы вызвать отказ или поломку клапана.

     Скажем честно – и сами клапаны изначально могут быть с дефектами. Производители иногда используют не очень качественные материалы, возможны дефекты и при сварке тарелки со стержнем, с нарушениями могут проходить термообработка или шлифование поверхности, ошибки могут быть и в спецификациях, и т. д., и т. п. Никто не застрахован от ошибок.

     К сожалению, таких параметров клапанов, которые можно проверить визуально или иными методами неразрушающего контроля, очень мало. Лучший способ снизить вероятность поломок клапанов – узнать репутацию поставщиков и отдавать преимущество только тем из них, кому стоит доверять.

     Определение «газораспределительный механизм» обозначает систему деталей и узлов, которая обеспечивает перемещение клапанов. Есть несколько типов газораспределительных механизмов, есть двигатели с двумя, тремя, четырьмя и даже большим количеством клапанов на цилиндр. Каждый клапан может иметь индивидуальный привод или, скажем, пара клапанов может работать от общего коромысла или уравнителя. Но, независимо от схемы, все элементы газораспределительного механизма могут оказывать влияние на характеристики, срок службы и надежность клапанов.

 

«Это не я. Причина в другом»

     Часто виновницей отказа двигателя считают именно сломанную деталь, и после её замены, при ремонте двигателя, истинная причина неисправности может быть устранена, а может быть и нет. Если истинную причину поломки не нашли, то неминуем второй, дополнительный, ремонт и, соответственно, простой двигателя – столь же «приятный» и не менее дорогостоящий. Если же выявить настоящую причину поломки с первого раза, то можно избежать изрядной «головной» боли.

     Наибольшие риски для клапанов создают неточности установки, последующей регулировки, а также наличие загрязнений и перегрев. Хорошим решением будет проверка других клапанов из этого двигателя и сопутствующих деталей. Это даст возможность понять, локализована ли проблема только в одном цилиндре или неисправности начинают проявляться во всем двигателе.

 

     А теперь несколько терминов и определений:

Тарелка клапана

     Это та часть клапана, которая и перекрывает путь воздуху и отработавшим газам. Работает в самых тяжелых условиях. Постоянно подвергается нагреву, особенно – если это выпускной клапан и, при неправильной регулировке, испытывает ударные нагрузки при контакте с седлом клапана. Перегрев и/или перегрузки могут стать причиной образования трещин, проходящих примерно по хордам окружности тарелки (см. фото 1). А трещины, в итоге, приводят к разрушению тарелки, с отделением кусков материала.

Фото 1. Радиальные трещины на тарелке клапана – результат перегрева или ударных нагрузок.

 

Рабочая фаска

     Это часть тарелки – узкая полоска по её периметру – которая прилегает непосредственно к седлу клапана. Основная часть тепла отводится от клапана именно через фаску и седло, остальная часть – через стержень и направляющую клапана. При этом впускные клапаны в лучшем положении, поскольку они охлаждаются воздухом, входящим в цилиндр, а вот у выпускных клапанов такой «роскоши» нет. Любое препятствие передаче тепла от клапана приводит к его перегреву и выходу из строя. Если клапан прилегает к седлу неплотно, то горячие газы, под давлением, будут просачиваться между седлом и клапаном. Получается что-то вроде подобно газовой горелки, которая плавит и размягчает материал клапана (см. фото 2 и 3).

Фото 2. Слева показана схема передачи тепла от клапана к ГБЦ. Справа – образование прогара на фаске при неплотной посадке клапана в седло.

Фото 3. Как газовая горелка плавит и режет металл (слева), так и раскаленные газы из камеры сгорания «сжигают» тарелку клапана (справа).

 

Галтель

     Это зона перехода от тарелки клапана к его стержню. Когда клапан ломается в области галтели, т. е. – в сопряжении тарелки и стержня, одно из типичных заблуждений – считать, что это произошло из-за слабого сварного шва (для биметаллических клапанов). Убедиться в ошибочности этого мнения просто – надо взять магнит и провести им вдоль стержня: стержень обычно магнитится легко, а тарелка – почти не примагничивается. Правда это не всегда работает, так как клапаны бывают изготовлены и из цельного «куска» металла. Но если вы найдете сварной шов, то он будет значительно выше, чем галтель (см. фото 4). А на фото 5 видно, что сварной шов находится довольно далеко от линии излома – около 80 мм от рабочей фаски.

Фото. 4. Выпускной клапан с отломленной тарелкой. Магнит показывает место, где стержень ещё примагничивается. Ниже этого места – часть клапана из жаростойкой немагнитной стали, а между ними – сварной шов.

Фото. 5. Схема на которой показано расположение сварного шва между двумя частями клапана.

 

     На галтель действуют очень высокие температуры и нагрузки, и это неподходящее место для сварного шва. Наиболее распространенная причина поломки в зоне галтели (см. фото 6) – удар по тарелке клапана. Клапан может «зависнуть» в открытом положении по разным причинам – много нагара, заело стержень в направляющей втулке, нарушение фаз газораспределения, неверная регулировка и т. д. Итогом всего этого обычно становится столкновение с поршнем, на которое ни один клапан не рассчитан.

Фото 6. Место излома клапана в районе галтели (показано стрелкой).

Проблемы со стержнем.

     Дефекты на поверхности изломов стержня клапана, в зависимости от распространения вторичных повреждений, могут дать важную информацию. Поверхность излома стержня обычно несет много информативных признаков (см. фото 7).

Фото 7. Поверхность излома стержня клапана, показанная с большим увеличением.

 

     Напоминающие следы от волн на песке дугообразные усталостные трещины, распространялись от исходной точки – места зарождения трещины (внизу на фото 7) – и постепенно становились больше и больше. Зазубрины слева, образованные глубокими трещинами, указывают на множественные точки возникновения этих трещин – из-за экстремальных внешних напряжений. Поскольку они возникли в разных местах и на разных уровнях, то создали несколько ступенек на поверхности излома. Отсюда можно сделать вывод, что стержень этого клапана сломался из-за усталости материала, возникшей из-за работы с большой перегрузкой, а не от внутренних дефектов.

     Внешний осмотр поверхности стержня также может много рассказать об условиях работы клапана. Царапины и задиры на стержне, а также – изменение цвета (цвета побежалости) от перегрева встречаются чаще всего. Скажем увеличение сроков замены масла (интервала техобслуживания) легко может привести к заклиниванию клапанов в направляющих. Кроме того, неполное закрытие клапана позволяет горячим газам сжигать масляную пленку, с одновременным образованием большого количества нагара в направляющих. Нагарообразование означает, что масло превращается в твердые и хрупкие отложения, которые не способствуют отводу тепла, а наоборот, становятся изолятором. Нагар еще и отличный абразив, что, в сочетании с отсутствием отвода тепла, приводит к быстрому износу деталей. Нагар и следы износа хорошо видны на фото двух направляющих втулок клапанов (см. фото 8). Следующий вопрос – является ли дефект направляющей втулки причиной или следствием.

Фото 8. Отверстия в направляющих втулках клапанов износились настолько, что стали овальными и внутри сплошь покрыты нагаром.

 

Взаимное расположение деталей и регулировка

     Неправильное взаимное расположение деталей клапанного механизма и последующая регулировка могут привести ко множеству проблем. Направляющая втулка обязательно должна быть соосной седлу клапана – их геометрические оси должны полностью совпадать (см. фото 9).

Фото 9. Синим показано правильное положение клапанов, а красным – проблемы, возникающие из-за несоосности деталей.

 

     Все детали механизма газораспределения, которые обеспечивают перемещение клапана, должны делать свою работу плавно, без ударов, и не должны создавать боковые нагрузки на клапан (см. фото 10).

Фото 10. При боковой нагрузке на клапаны (красные стрелки) стержни клапанов начинают изгибаться (синие линии).

 

     Подобный перекос клапанов может привести к преждевременному износу сопряженных деталей, потере компрессии в цилиндрах, перегреву деталей, появлению задиров на стержне клапана или к усталостному разрушению клапанов.

 

Верхняя часть клапана (над канавками под сухари)

     Когда повреждена эта часть клапана, причиной обычно является удар или боковая нагрузка. А взаимный износ канавки (или канавок) и сухарей, фиксирующих клапан в тарелке клапанной пружины (см. фото 11), может привести к усталостному разрушению стержня (см. фото 12).

Фото. 11 На этой схеме показаны зоны концентрации напряжений (или иначе – слабые места) клапана.

Рис. 12. Клапан, сломавшийся по канавке под сухарь: слева – поверхность излома, в середине – торец клапана со следами ударов, а справа – отломленная верхняя часть стержня.

 

     Во многих клапанных механизмах есть устройство для вращения клапанов, которое обычно встраивается в тарелку клапанной пружины. Вращение клапана вокруг своей оси помогает равномерно «распределять» нагрев и очищаться от нагара. По состоянию торца клапана видно, вращался ли он или нет.

     Клапаны на фото 18 работали в одном двигателе, но разница в износе торцев стержней заметна даже невооруженным глазом. Торец показанный слева выглядит так, как будто он совсем не вращался, на торце, что в середине, кольцевые следы износа только появились. А справа – похоже, что клапан работал с минимальным зазором или вообще без зазора. И поэтому был более склонен к отложениям нагара в месте контакта тарелки клапана с седлом. В подобных условиях клапан не закрывает полностью, что неизбежно приводит к его перегреву.

     При нормальной работе клапанов, со временем, в середине торца образуется характерная «ямка». Так что сравнение картин износа на разных деталях – неплохой метод поиска неисправностей.

     Четырехтактный двигатель, в ходе одного полного рабочего цикла в цилиндре, совершает два оборота коленвала. Так что, при 2100 об/мин каждый впускной и выпускной клапан открываются около 17 раз в секунду. Клапаны обычно спроектированы так, чтобы выдерживать даже перегрузки, большие чем при обычных условиях эксплуатации, но, когда что-то идет не так, они довольно быстро получают финальный «удар».

     Как видите, есть довольно много причин для того, чтобы клапаны ломались. Но сломанная деталь может быть только следствием истинной причины аварии двигателя. Это событие должно стать указанием на настоящую проблему с мотором. Так что лучше всего найти и устранить истинную причину поломки, а не просто устранить ее последствия.

 

 

Стив Скотт поступил на работу в отдел обслуживания IPD в 1982 году, работал с деталями, сервисом и продажами различного оборудования, дизелей и двигателей на природном газе. С 2004 года является директором по разработке продуктов и технической поддержке IPD.

Напомним основы…

Схема 1. Четырехтактный цикл работы ДВС

 

     Все современные автомобильные двигатели: и дизельные, и бензиновые, с которыми обычно приходится иметь дело ремонтникам – четырёхтактные. Это означает, что рабочий процесс в них происходит за четыре такта, то есть – за четыре хода поршня (см. схему 1).

1. Впуск: поршень идет вниз, впускные клапаны открываются и воздух поступает в цилиндр.
2. Сжатие: Поршень идет вверх, впускные и выпускные клапаны закрыты. Движение поршня вверх приводит к сжатию воздуха, который при этом нагревается. В конце такта сжатия в цилиндр впрыскивается, и воспламеняется в горячем воздухе, топливо.
3. Рабочий ход: продукты сгорания (горячие газы) расширяются, толкая поршень вниз и вращая коленвал.
4. Выпуск: поршень снова движется вверх, открыты выпускные клапаны и отработавшие газы выходят из цилиндра.

 

«Устройство» клапана, который является важнейшей деталью газораспределительного механизма, показано на схеме 2:

Схема 2. Взаимное расположение элементов клапана

 

Ниже мы приводим схему, на которой показано, как клапаны устанавливаются в головку блока цилиндров (см. схему 3):

Схема 3. Клапаны, установленные в головке блока цилиндров.

 

Устройство привода клапанов от распределительного вала, расположенного в блоке цилиндров (схема OHV). Подобная схема до сих пор применяется на многих грузовых дизелях, а также в некоторых американских бензиновых «шестерках» и «восьмерках»

Схема 4. Привод клапанов по схеме OHV

 

     На многих современных дизелях – по четыре клапана на цилиндр. В этом случае, для двух одинаковых клапанов – впускных или выпускных, в приводе есть так называемый «уравнитель». Через него коромысло одновременно давит на пару клапанов (см. схему 5):

Схема 5. Привод клапанов по схеме OHV в случае применения четырех клапанов на цилиндр.