Почему может сломаться клапан

Хорошо, когда машина новая — двигатель работает тихо, его не слышно даже на разгоне с полным «газом». Но идет время — и однажды вы замечаете, что от былой «тишины» не осталось и следа, а, открыв капот, видите некоего грохочущего зверя, который вместе привычного пения издает явно оскорбляющие слух звуки.
Шумность работы двигателя чаще всего связана с газораспределительным механизмом — большие зазоры и стук всегда соседствуют друг с другом. Первое, что приходит в голову — отрегулировать зазоры в приводе клапанов. Часто это помогает, но иногда после регулировки кажется, что стук стал даже сильнее: один или несколько клапанов продолжают стучать. И совершенно непонятно почему: ведь зазоры в норме, да и распределительный вал с виду хороший. Причина, похоже, не лежит на поверхности, она где-то внутри, но где? Надо бы разобраться, да некогда. А стук становится все громче.
То, что клапан — деталь ответственная, никому объяснять не надо. И то, что неисправности клапанов — штука не только серьезная, но и опасная, многим известно не понаслышке. Возникают подобные неисправности по разным причинам. И встречаются среди них совершенно неочевидные, так что при ремонте не удается ограничиться только заменой неисправной детали.
Кстати, в любом случае перед тем, как что-либо ремонтировать или менять, полезно найти причину конкретной неисправности. Иначе та же участь в скором будущем может постигнуть и совсем новую, только что установленную деталь. А чтобы этого не случилось, желательно знать, в каких условиях она работает.
Как работает клапан
Основная задача клапанов — управление потоками топливовоздушной смеси и продуктов сгорания, поступающих в цилиндр или вытекающих из него. Следовательно, клапан при его открытии должен свободно пропускать смесь или газы, то есть обладать минимальным гидравлическим сопротивлением. В то же время закрытый клапан должен обеспечивать герметичность и полностью отделять полость цилиндра от впускной или выпускной системы двигателя.
Клапаны работают в условиях сильного нагрева от горячих газов, обтекающих их тарелки. И если впускной клапан при открывании периодически охлаждается поступающей в цилиндр топливовоздушной смесью, то выпускной работает в гораздо более жестких условиях. Открываясь на такте выпуска, он еще больше нагревается горячими выхлопными газами, и температура его тарелки достигает 850-900 град. С.
Для того чтобы клапаны могли противостоять таким тепловым нагрузкам, их приходится изготавливать из специальных жаростойких сталей и сплавов с большим содержанием хрома, никеля, молибдена и даже вольфрама. Эти материалы весьма недешевы, из-за чего нередко выпускные клапаны изготавливают из разнородных материалов: тарелку — из жаростойкого сплава, а стержень — из легированной стали. Кстати, впускные и выпускные клапаны самых разных моторов очень легко отличить: тарелки выпускных клапанов не обладают магнитными свойствами.
Чтобы снизить износ фаски при высоких рабочих температурах, на нее нередко наплавляют специальный твердый материал-стеллит. Реже применяют натриевое охлаждение клапана: натрий, перемещающийся во внутренней полости клапана при его открытии и закрытии, переносит тепло от горячей тарелки к более холодному стержню.
Практика показывает, что даже самый жаростойкий клапан все равно прогорит, если не будут выполнены и некоторые другие условия, главное из которых — плотная посадка тарелки в седле. Дело в том, что только хороший контакт клапана с седлом позволяет надежно отвести тепло от нагретой тарелки. Ведь седло довольно холодное, оно запрессовано в тело головки блока охлаждаемой жидкостью. Через седло отводится до 75 % всего тепла, поступающего к тарелке, — весьма и весьма значительная часть. Естественно, если контакт с седлом нарушен, тарелка сразу начинает перегреваться. Значит, до прогара жить клапану остается недолго.
Выглядит это как цепная реакция. Небольшая неплотность в сопряжении тарелки и седла приводит к прорыву газов. Отвод тепла от тарелки в этом месте отсутствует, и тарелка перегревается. Неплотность увеличивается, а вместе с ней растет и температура тарелки. В конце концов материал начинает разрушаться, туда устремляется еще больше горячих газов, и дефект тарелки быстро распространяется до тех пор, пока цилиндр полностью не выключается из работы из-за отсутствия компрессии.
Как видим, хорошее сопряжение тарелки с седлом «убивает» сразу «двух зайцев»: снимает температуру клапана до приемлемого уровня и обеспечивает герметичность. И трудно сказать, что важнее. По крайней мере для работоспособности самого клапана важно первое, а для двигателя в целом — второе (имеются в виду хорошие пусковые свойства, мощностные характеристики, экономичность).
Кроме указанных условий, работа клапана (открытие и закрытие) должна быть достаточно «мягкой» и не вызывать излишнего шума. Шум или, точнее, стук клапанов — верный признак неисправности, а возникающие при стуке ударные нагрузки нередко сами по себе вызывают еще более серьезные неисправности и даже поломки клапанов.
Откуда берется стук?
Причин несколько. Самая простая уже упомянута — большой зазор в приводе. Кулачок распредвала из-за этого набегает на толкатель (рычаг или коромысло) не плавно, а с ударом, который тем сильнее, чем больше зазор.
Что страдает в данном случае в первую очередь? То, что воспринимает ударную нагрузку: рабочие поверхности кулачка распредвала и толкателя, а также опорная поверхность толкателя и торец стержня клапана. На них нередко образуются повреждения в виде точечных раковин, которые в дальнейшем расширяются и углубляются. Но этим дело не ограничивается. Клапан не только с ударом открывается, но также резко, со стуком, закрывается. А это значит, что ударная нагрузка при закрытии приходится на уплотнительную фаску клапана и седло. Кроме того, в момент удара при посадке на седло на стержень клапана действует большая растягивающая нагрузка от пружины. Длительная работа в таких условиях весьма опасна: тарелка может просто оторваться от стержня либо стержень разрушится по другому слабому месту — канавке для сухарей.
Но допустим, что зазоры в приводе клапанов нормальные, а стук все равно прослушивается. Чаще всего причина такого стука кроется в большом зазоре между стержнем клапана и направляющей втулкой. Ситуация эта наиболее характерна для старых, изрядно походивших, моторов. Иногда стук клапана связан с неконцентричностью седла и отверстия направляющей втулки, что является следствием перегрева головки блока или неправильно выполненного ремонта. При этом клапан садится на седло сначала одним краем тарелки, и только затем, перекатываясь во втулке в пределах зазора, полностью. Из-за этого, кстати, износ направляющей втулки быстро прогрессирует.
Быстрый износ направляющей втулки и стук клапана возникают и по другим, более сложным, причинам. Например, когда гнездо цилиндрического толкателя клапана несоосно, либо имеет перекос по отношению ко втулке. Подобный дефект иногда встречается на отечественных моторах. Стук возможен также, из-за повышенных зазоров в деталях привода — в осях коромысел, в гнездах цилиндрических толкателей, а также в подшипниках распределительного вала.
Все эти стуки на слух достаточно похожи, и поэтому часто выделить конкретную причину без разборки и внимательной ревизии состояния деталей не удается. Но в любом случае нужно иметь в виду, что раз есть стук, значит нагрузки в местах контакта деталей носят ударный характер. Как правило, такой стук быстро прогрессирует, что грозит не только износом клапанов и сопряженных с ними деталей, но и их поломкой.
Почему сломался клапан?
Сам по себе стук может и не вызвать поломку. Но в любом случае важно понять, почему клапан начал стучать? А причин, спровоцировавших появление стука, оказывается, немало.
Самая распространенная — неграмотная эксплуатация, неквалифицированное и несвоевременное обслуживание двигателя. Очевидно, регулировка зазоров в приводе клапанов от случая к случаю — верный способ ускорить износы, вызвать стуки, а затем и поломки.
Очень опасно при регулировке устанавливать слишком малые зазоры: при работе двигателя клапаны нагреются, их длина увеличится, и, когда зазор выберется полностью, клапаны «повиснут». А тогда неплотная посадка на седло приведет к перегреву тарелок и прогару.
Довольно распространенная причина прогара выпускных клапанов — слишком позднее зажигание. Особенно если двигатель длительное время работает на больших частотах вращения и нагрузках. Но и раннее зажигание — тоже для клапанов не подарок, ведь температура газов в цилиндре в этом случае максимальна. Значит, неправильная установка опережения зажигания вызывает не только потерю мощности и увеличение расхода топлива, но и неисправности клапанов.
Использование некачественного масла — тоже возможная причина износа втулок и стержней клапанов. Кроме того, такое масло имеет свойство коксоваться в нижней части стержней клапанов. Из-за этого клапан будет все туже ходить во втулке, а затем и вовсе может заклинить в ней. В конце концов он получит-таки поршнем по тарелке со всеми вытекающими последствиями.
Нагар, откладывающийся на тарелках клапанов (особенно впускных), например, из-за износа маслосъемных колпачков, тоже небезобидная вещь. Достигая солидной толщины, нагар начинает откалываться. И частицы довольно крупных размеров легко могут попасть между фаской и седлом клапана. А после этого плохой контакт с седлом и перегрев тарелки неминуем.
Интересно отметить, что значительные отложения нагара на клапанах, вызывающие подобные неприятности, далеко не всегда связаны с износом маслосъемных колпачков. Судите сами: повышенное давление в картере из-за неисправности системы вентиляции или износа цилиндро-поршневой группы легко может выдавливать масло к тарелкам клапанов даже через самые новые колпачки.
Некоторые «горячие головы» предпочитают отсоединять шланг вентиляции картера от воздушного фильтра и выводить его куда-нибудь под днище автомобиля — так якобы мотору «легче дышится». И невдомек им, что на некоторых режимах в картере создается разрежение, и пыль, засасываемая в двигатель через шланг, не только быстро загрязняет масло и масляный фильтр, но и попадает к направляющим втулкам и стержням клапанов. Комментарии, как говорится, излишни.
Но, пожалуй, самые серьезные последствия для клапанов таит в себе несоблюдение сроков замены ремня привода распределительного вала. На многих современных моторах клапаны в случае обрыва ремня деформируются. Добавим еще, что попытки поставить новый ремень и так доехать, к примеру, до гаража, редко оканчиваются благополучно. Деформированные клапаны каждый раз при посадке на седло испытывают большие изгибающие нагрузки и через 10-15 минут работы, как правило, ломаются. А такая поломка клапана — это, как минимум, замена поршня, головки блока, шатуна.
Целый ряд проблем вносит в работу клапанов некачественно выполненный ремонт. Например, наиболее «опытные» механики не утруждают себя использованием специальных приспособлений для сжатия пружин клапанов. Их «коронные» инструменты — стальная труба и молоток, стукнул посильнее — и порядок. Только вот клапан может получить повреждение по канавке для сухарей. А потом, много позже, в этом месте сломаться.
Очень опасно попадание абразивной пасты в направляющую втулку во время притирки клапана к седлу. Промыть такую втулку — целая история. Но если этого не сделать, история получится с продолжением максимум на 5-10 тысяч километров пробега. После этого износ втулки и стержня, скорее всего, превысит все разумные пределы. Некоторые механики стремятся сделать зазор клапана во втулке как можно меньше. Это заблуждение нередко приводит к заклиниванию клапана с весьма неприятными последствиями.
Еще одна ошибка — притирка клапанов без правки седел. Как показывает практика, после длительной эксплуатации и особенно после замены направляющих втулок их несоосность с седлами — обычное дело. В подобных случаях одна лишь притирка, скорее всего, приведет к стуку клапанов и быстрому износу деталей.
Когда головка блока полностью собрана с клапанами, очень легко испортить всю работу, обстукивая клапаны молотком. Результат может быть тот же, что и при «ударной» разборке, особенно у современных многоклапанных двигателей с клапанами малого диаметра.
Из всех этих факторов складывается довольно ясная картина, когда клапан неисправен, ему, скорее всего, кто-то в этом «помог». И задача механика — не только не стать очередным «помощником», но ликвидировать все последствия прежней «помощи», которые обычно несут на себе после долгой работы клапаны и другие детали. Только так можно быть уверенным, что клапан не подведет.

Александр Хрулев, кандидат технических наук, «АБС»

Источник

Почему прогорают клапана?

Прогар клапана – естественное последствие неправильного горения топливовоздушной смеси в цилиндре либо нарушения теплового зазора. Давайте рассмотрим, почему может прогореть клапан на дизельном или бензиновом двигателе и уделим внимание проблеме регулировки теплового зазора и детонационного сгорания.

Признаки прогара клапана

В случае прогорания в цилиндре на такте сжатия не развивается достаточное давление, так как часть топливно — воздушной смеси (ТПВС) просачивается через клапан. Поэтому сгорание в таком цилиндре происходит неправильно либо отсутствует полностью, что естественным образом отображается на работе двигателя.

Симптомы прогара клапана:

неравномерный холостой ход. При этом характер работы будет зависеть от площади отверстия, образовавшегося между фаской клапана и седлом ГБЦ. Это может быть как легкая вибрация и небольшое подергивание при перегазовке, так и троение, при котором один из цилиндров полностью не работает;
потеря мощности;
характерное бубонение во впускном тракте. Возникает, если на автомобиле прогорел впускной клапан;
увеличение расхода топлива;
трудный запуск.

В автомобилях с функцией самодиагностики на приборной панели загорится сигнальная лампа Check Engine. Считав диагностическим прибором неисправности, вы, скорее всего, увидите ошибки по пропускам зажигания, бедной/богатой смеси. Первый тип ошибки регистрируется вследствие неравномерности вращения коленчатого вала, возникающей при неисправности в каком-либо из цилиндров. Второй связан с неправильным горением в неработающем цилиндре, вследствие чего часть ТПВС летит в выхлопной тракт, сбивая с толку кислородный датчик (лямбда-зонд).

После выявления кода неисправности по конкретному цилиндру можно смело выкручивать свечу для замера компрессии. Если же ошибок нет, придется прибегнуть к более искусным методам диагностики.

Как определить неработающий цилиндр?

Суть простейшей проверки сводится к последовательному отключению цилиндров. Имитируя неисправность, мы наблюдаем за изменениями в работе двигателя. После отключения котла, в котором прогорел клапан, изменения в работе будут минимальные. Какими способами это лучше всего сделать?

Снимите со свечи высоковольтный провод. В это время катушка будет переживать повышенные нагрузки, поэтому длительность такого стресс-теста не должна превышать 2-3 секунды. Во избежание риска удара током через растрескавшийся ВВП делать подобную проверку нужно в прорезиненных перчатках либо с помощью плоскогубцев с пластиковыми/резиновыми ручками.
Физически отключите фишку форсунки. При наличии специализированного диагностического оборудования сделать это можно программно, подключившись к автомобилю через разъем OBD-II.

Видео: Почему горят клапана

Проверка компрессии

Определив неработающий цилиндр, мы должны проверить цилиндр на герметичность. Для этого есть несколько способов:

измерение компрессии в двигателе. Для этих целей подойдет даже самый дешевый компрессометр с подходящей шкалой измерения. Главное, чтобы в наличии был переходник с подходящей резьбой. Не доверяя точности прибору, ориентируйтесь не столько на показанную цифру, сколько на разницу между цилиндрами. Компрессия при прогаре клапана снижается на 3-6 Атм. в сравнении с соседними горшками;

Во время прокрутки двигателя стартером дроссельная заслонка должна быть полностью открыта, подача топлива во все цилиндры отключена, а аккумулятор полностью заряжен.

проверка цилиндра на герметичность с помощью тестера. Прибор представляет собой редуктор, через который в цилиндры подается сжатый воздух. Установленный рядом манометр измеряет фактическое давление после редуктора, переводя потерю воздуха в процентную оценку негерметичности;
измерение относительной компрессии. Своими руками такой тест не провести, но у автодиагноста с осциллографом проверка займет не более 15 минут. Измерить относительную компрессию можно по току стартера либо с помощью скрипта CSS Андрея Шульгина.

Прогорел клапан или проблемы с поршневой?

Прогоревший клапан – далеко не единственная причина снижения компрессии в цилиндре. Поэтому следующие шаги помогут нам понять, прогорел клапан либо это проблемы с поршневой системой.

Самый примитивный тест – залить в «подсевший» цилиндр несколько кубиков моторного масла, после чего повторить замер. Если компрессия возросла, значит, причина не в прогоревшем клапане, а в цилиндро — поршневой группе (ЦПГ).

Вытащите щуп и посмотрите на количество газов, вырывающееся из отверстия. Если двигатель сильно сапунит, причина в поршневой. Если же система вентиляции картерных газов справляется со своей задачей, прогорело седло клапана или же сам клапан. В более продвинутом варианте диагностики специальным прибором измеряется объем картерных газов.

Чтобы определить прогар клапана, а не поршня, осмотрите цилиндр с помощью эндоскопа. Заглянув внутрь двигателя, вы увидите прогоревший клапан. Если поршень остановился вверху и нет возможности развернуть камеру, чтобы посмотреть вверх, слегка покрутите мотор стартером либо ключом за шкив коленчатого вала.

Почему выпускные клапаны горят чаще?

На бензиновых двигателях с впрыском в коллектор впускные клапаны омываются бензином и воздухом, что значительно снижает их температуру. Поэтому чаще всего прогорают именно выпускные клапаны. Проблемы с впускными случаются из-за неправильной регулировки зазора, вследствие чего тарелка неплотно прижимается к седлу. Из-за этого ухудшается теплоотвод, что и становится причиной неисправности.

Процесс горения смеси исправного двигателя

Чтобы лучше понять причины прогара клапанов, необходимо знать основы процессов газообмена в двигателе и их последовательность.

Такт впуска. Впускные клапаны открыты, поршень движется вниз, создавая зону разряжения. Со впускного тракта в этот момент всасывается смесь топлива с воздухом (бензиновые моторы с распределительным впрыском во впуск или с моноинжектором) либо чистый воздушный заряд (ДВС цикла Дизеля и бензиновые моторы с прямым впрыском).
Такт сжатия. Поршень начинает движение вверх, впускные и выпускные клапана закрываются. Смесь сжимается, температура в камере сгорания повышается.
Рабочий такт. За несколько градусов до высшей мертвой точки (ВМТ) цилиндра смесь поджигается искрой (бензиновые ДВС) либо самовоспламеняется от контакта с разогретым воздухом (дизельные). Под действием силы расширяющихся газов поршень устремляется вниз. Возвратно-поступательное движение поршня через шатунно-кривошипный механизм передается во вращательное движение коленчатого вала.
Такт выпуска. Выпускные клапаны открываются. Движущийся к ВМТ поршень выталкивает отработавшие газы в выпускной тракт.

Фазы перекрытия клапанов и инерционное наполнение упущены намерено, так как существенно не влияют на рассмотрение вопроса прогара клапанов.

Основные причины прогара клапанов

детонация;
нарушение теплового зазора клапанов;
слишком позднее/раннее зажигание;
некачественный бензин.

1. Детонация

Детонация – процесс неправильного горения ТПВС, при котором возникает ударная волна, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью. Детонационное сгорание – одна из главных причин прогара поршней и клапанов.

Причины детонации:

несоответствие октанового числа бензина и степени сжатия. Скорость горения низкооктанового топлива выше, а температура самовоспламенения ниже. Поэтому смесь детонирует еще до момента подачи искры;
низкокачественный бензин. В попытках повысить октановое число бензина с помощью присадок недобросовестные АЗС иногда путают пропорции. При этом возможна ситуация, когда заявленное октановое число как ниже, так и выше фактического. Во втором случае присадки замедляют скорость горения смеси, из-за чего повышается термохимическая нагрузка на выпускные клапаны;
слишком низкое калильное число свечей зажигания. Смесь самовоспламеняется от раскаленных частей свечи;
бедная смесь. Из-за переизбытка окислителя (кислорода) в конце такта сжатия вблизи раскаленных участков камеры сгорания начинаются предпламенные реакции, перерастающие в детонационное сгорание. Причина бедной смеси может быть в подсосе воздуха, забитых форсунках, нехватке давления топлива.

2. Нарушение теплового зазора

Если тепловой зазор в клапанном приводе слишком мал, клапан неплотно прилегает к седлу, из-за чего нарушается отвод тепла. Из-за постоянного перегрева в головке клапана появляются трещины, а наиболее теплонагруженные частицы и вовсе откалываются.

Неправильная регулировка выпускных клапанов также может стать одной из причин детонации, так как при высокой температуре появляется риск предпламенных реакций.

3. Влияние позднего и раннего зажигания

При несвоевременном начале горения ТПВС клапана переживают повышенные термохимические нагрузки. Так, при раннем зажигании смесь поджигается раньше расчетного времени приближения поршня к ВМТ. Поэтому пик давления в цилиндре нарастает ранее идеальных 10-15º после ВМТ. Поршень, клапаны и стенки камеры сгорания при этом переживают чрезмерные термические и ударные нагрузки.

Слишком позднее зажигание приводит к тому, что смесь еще активно догорает, когда выпускные клапаны начинают открываться. Опять-таки повышенные термические нагрузки приводят к прогару выпускных клапанов.

Прогар клапана на дизельном моторе

Признаки прогара клапана на дизеле схожи с бензиновым двигателем. Но среди причин лидирует неисправность форсунок. Из-за переливающих форсунок повышается температура в камере сгорания, увеличивается время горения смеси.

Понятие детонации в дизельном двигателе отсутствует. Но при раннем впрыске возникает не менее опасное жесткое сгорание, когда давление в камере сгорания развивается раньше расчетного. Стенки камеры сгорания в такие моменты переживают повышенные ударные и тепловые нагрузки.

Источник

Почему может сломаться клапан