Сравнение впускных и выпускных клапанов ДВС¶
Впускной клапан — это элемент газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания, который открывается для подачи воздушно-топливной смеси (или воздуха) в цилиндр, а выпускной клапан — элемент того же механизма, обеспечивающий выход отработавших газов из цилиндра. В большинстве автомобильных двигателей выпускной клапан имеет больший диаметр головки, чем впускной, однако это правило имеет исключения, зависящие от типа двигателя, системы питания и режима работы.
¶Почему размеры клапанов различаются
Размер впускного и выпускного клапанов определяется требуемой пропускной способностью: диаметр подбирается так, чтобы обеспечить минимальное сопротивление потоку газов на соответствующем такте. Ключевые факторы:
- Плотность газов. Отработавшие газы при температуре 700–1000 °C значительно разреженнее свежей зарядки. При схожем давлении в цилиндре масса вытекающего через одно и то же сечение отработавшего газа меньше, чем масса втекающего холодного воздуха. Поэтому для обеспечения равномерного газообмена выпускное сечение может быть компенсировано иными средствами.
- Перепад давления. Выпускной клапан открывается, когда давление в цилиндре ещё существенно выше атмосферного (остаточное давление выхлопа), что само по себе ускоряет продувку. Впускной клапан открывается при давлении, близком к атмосферному или наддувному, поэтому для наполнения цилиндра требуется большее эффективное сечение.
- Температурный режим. Выпускной клапан работает в более жёстких условиях и вынужден быть прочнее, но не обязательно крупнее.
¶Типичные соотношения диаметров
| Тип двигателя | Диаметр впускного клапана | Диаметр выпускного клапана | Комментарий |
|---|---|---|---|
| Бензиновый атмосферный (легковой) | 28–36 мм | 24–30 мм | Впускной крупнее на 10–15 % |
| Бензиновый с наддувом | 30–38 мм | 26–32 мм | Впускной крупнее, но разница меньше |
| Дизельный | 25–35 мм | 22–30 мм | Впускной крупнее; выпускной усилен жаропрочным сплавом |
| Система DOHC с 4 клапанами на цилиндр | 2 впускных по 28–34 мм | 2 выпускных по 24–30 мм | Суммарная площадь впускных отверстий больше |
В классической конструкции четырёхтактного бензинового двигателя впускной клапан крупнее выпускного на 10–20 % по диаметру. Это связано с тем, что наполнение цилиндра происходит за счёт относительно небольшого перепада давления (особенно на холостом ходу и при низких оборотах), тогда как продувка отработавших газов облегчается остаточным давлением и кинетической энергией потока.
¶Исключения: когда выпускной клапан больше
Существует ряд конструкций, где выпускной клапан, наоборот, крупнее впускного или их размеры близки:
- Двигатели с турбонаддувом и высокой степенью наполнения. При принудительном нагнетании воздуха впускное давление существенно превышает атмосферное, и даже небольшого впускного сечения хватает для заполнения цилиндра. Одновременно растёт нагрузка на выпускной тракт, поэтому выпускное сечение увеличивают.
- Двигатели, работающие на бедных смесях. Для обеспечения полного сгорания и снижения токсичности требуется интенсивная продувка цилиндра, что достигается увеличением выпускного отверстия.
- Гоночные двигатели. В ряде спортивных конструкций выпускные клапаны выполняют крупнее впускных — это компенсирует потери в выпускном тракте с сужающимися коллекторами и обеспечивает максимальную мощность на высоких оборотах.
- Некоторые дизели с системой Common Rail. Из-за особенностей турбонагнетателя и схемы газообмена соотношение диаметров может быть близким к единице.
¶Материалы и конструкция
Выпускной клапан работает при температурах до 800–950 °C, поэтому его тарелку изготавливают из жаропрочных сплавов — чаще всего на основе хрома, никеля и кремния (силхром) или с нанесённым сплавом Stellite на фаску. Впускной клапан в большинстве двигателей выполняют из хромистой стали без специального покрытия, поскольку температура его тарелки редко превышает 300–400 °C. В двигателях с непосредственным впрыском на впускные клапаны наносят покрытия, снижающие отложение нагара.
¶Влияние на газораспределение
Диаметр клапана — лишь один из параметров, определяющих наполнение и продувку цилиндра. Не менее важны:
- подъём клапана (обычно 8–12 мм у впускного и 7–10 мм у выпускного);
- фазы газораспределения (моменты открытия и закрытия);
- профиль кулачка распредвала;
- форма впускных и выпускных каналов.
Правильное сочетание этих параметров обеспечивает коэффициент наполнения, близкий к единице, при минимальных потерях на перетечку газов.
¶Практическое значение
Для владельцев автомобилей и ремонтников разница в размерах клапанов важна при шлифовке сёдел, замене направляющих втулок и подборе клапанных пружин: впускной и выпускной клапаны не взаимозаменяемы даже при визуально схожей конструкции. Установка клапана неправильного типоразмера приводит к нарушению газообмена, падению мощности и, в тяжёлых случаях, к столкновению поршня с клапаном.
Источники:
- Кленов Ю. Н. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
- Ильин А. А., Лурье И. Б. «Автомобильные двигатели: конструкция»
- Михельсон В. А. «Газораспределение автомобильных двигателей»
- Техническая документация производителей клапанов (Mahle, Federal-Mogul/TPS)