Układ rozrządu – zawory

ZAWORY

Dziś zajmiemy się zaworami w układzie rozrządu. Zadaniem zaworów jest przede wszystkim cykliczne odsłanianie kanałów dolotowych i wylotowych w procesie wymiany ładunku w cylindrze. Zawór (poniżej)

Zawór grzybkowy (a), typowe mocowanie w prowadnicy (b) (Źródło: M. Bernhardt, S. Dobrzyński, E. Loth, „Silniki samochodowe” WKiŁ, Warszawa 1988

Każdy zawór jest zbudowany z następujących elementów:

– trzonka zaworu,

– talerzyka zaworu z zamkiem,

– grzybka zaworu,

     Trzonek zaworu umożliwia prowadzenie zaworu oraz odprowadzenie ciepła z grzybka. Średnica trzonka stanowi wynik kompromisu między skutecznością odprowadzenia ciepła, masą zaworu i jego wytrzymałością a oporami przepływu świeżego ładunku lub spalin. Trzonek o większej średnicy, dzięki większej powierzchni przylegania do prowadnicy, ułatwia przekazywanie ciepła, ale utrudnia przepływ gazów i zwiększa masę zaworu. Średnica trzonka stanowi najczęściej 20 – 30% średnicy grzybka. W górnej części trzonka jest wytoczony pierścień, który służy do uchwycenia talerzyka sprężyny za pomocą zamka. Czoło trzonka jest utwardzane i szlifowane ze względu na obciążenia przejmowane od popychacza lub dźwigni zaworu. Zdarza się, że czoło trzonka zostaje napawane stellitem (stop kobaltu, wolframu, chromu i niklu). Trzonek zaworu zawsze szlifuje się na całej powierzchni, a pasowanie w prowadnicy wykonuje jako obrotowe luźne.

Talerzyk zaworowy jest wykorzystywany do połączenia trzonka zaworu ze sprężyną zaworową. Talerzyk ma stożkowy otwór, a na górnym końcu trzonka zaworu znajduje się przewężenie (szyjka zamka). Połączenie między talerzykiem a trzonkiem następuje za pomocą podzielonej na dwie części stożkowej tulejki, zwanej zamkiem talerzyka zaworu. Zewnętrzna część zamka jest dopasowana do stożkowego otworu w talerzyku, a wewnętrzna – do przewężenia trzonka. W czasie montażu talerzyk ściska sprężynę zaworową  do chwili ukazania się w stożkowym otworze końcówki trzonka zaworu. Dzieloną tulejkę zakładamy na końcówkę trzonka i po zwolnieniu sprężyny stożek zamka zaciska zamek na przewężeniu trzonka. To połączenie jest bardzo mocne i niezawodne.

Grzybek zaworu musi spełniać warunki, które wzajemnie się wykluczają. Z jednej strony powinien on być dostatecznie wysoki, gdyż musi być odporny na obciążenie mechaniczne i nie może podlegać odkształceniom cieplnym. Z drugiej zaś musi reagować na odkształcenia, by istniała możliwość dopasowania go do nieznacznie odkształconego gniazda. Większa średnica grzybka zaworu zmniejsza opór przepływu gazów, a dostatecznie duża przylgnia grzybka usprawnia przenikanie ciepła z zaworu do gniazda. Grzybek zaworu musi być lekki, aby jego masa nie zwiększyła sił bezwładności w mechanizmie napędu zaworów. Wymiar grzybka zależy od średnicy kanałów dolotowego i wylotowego. Grzybek zaworu dolotowego ma większą średnicę niż grzybek zaworu wylotowego.

Ze względu na znaczne obciążenia stożkowej powierzchni uszczelniającej grzybka, napawa się na nią twardy stop. Jest on odporny jednocześnie na korozję i zużycie ścierne. Powierzchnia uszczelniająca grzybków zaworów dolotowych może być hartowana. Zdarza się, że zewnętrzne powierzchnie grzybków zaworów wylotowych są pokryte niekorodującym materiałem żaroodpornym. Niektórzy producenci pokrywają grzybki cienką warstwą  aluminium, aby zapewnić ochronę przeciwkorozyjną.

Bardzo ważny jest kształt kanału, którym przepływają gazy spalinowe lub mieszanki. Zmniejszenie wymiarów grzybka zaworu dolotowego od przylgni następuje pod kątem 10 – 20 st. ,a w zaworze wylotowym pod kątem 15 – 25 st. lub niekiedy większym.

Kształty grzybków zaworów: a) wylotowego, b) dolotowego (Źródło: L. Szczęch)

W miejscu, w którym grzybek przechodzi w trzonek, pojawia się ryzyko urwania zaworu (szczególnie wydechowego) na skutek obciążeń mechanicznych i cieplnych. Dlatego też przejście grzybka w trzonek musi być łagodne, gładkie i pozbawione karbów.

Ze względu na różne warunki pracy średnica trzonka zaworu wylotowego powinna być większa niż zaworu dolotowego. Jeśli do produkcji zaworów korzysta się z miękkiej stali austenitycznej, wtedy trzonek pokrywa się warstwą twardego chromu o grubości 0,03 – 0,05 mm. Zwiększa to trwałość trzonka i zapobiega jego zatarciu w prowadnicy. Długość trzonka zaworu wpływa na jego temperaturę pracy i prowadzenie. Im dłuższy trzonek, tym lepsze jego chłodzenie, a prowadzenie łatwiejsze. Jednak dłuższe trzonki zwiększają ciężar zaworu, a zatem i siły bezwładności w napędzie rozrządu. Długie trzonki zaworów zwiększają też wysokość silnika.

Średnica trzonka zaworu najczęściej jest jednakowa na całej długości. W niektórych silnikach występują zawory o trzonkach lekko stożkowym. Nachylenie stożka jest niewielkie i wynosi kilka setnych części milimetra, przy jednoczesnym zmniejszeniu średnicy w kierunku grzybka. W ten sposób niweluje się różnicę wzrostu średnicy trzonka w wyniku rozszerzalności cieplnej. Wówczas luz w prowadnicy zaworu w rozgrzanym silniku ma tę samą wartość na całej długości trzonka.

W silnikach bardzo silnie obciążonych cieplnie stosuje się  zawory drążone, wypełnione sodem metalicznym.

Zawór wypełniony sodem metalicznym (Źródło: L. Szczęch)

Sód wypełnia wnętrze trzonka lub grzybka zaworu. W trakcie pracy silnika sód ma postać ciekłą i pośredniczy w odprowadzaniu ciepła do cieczy chłodzącej lub powietrza. W wyniku energicznych ruchów zaworu ciekły sód podlega silnym wstrząsom i przemieszcza się na przemian z miejsc ogrzanych do chłodniejszych. Dzięki temu cały zawór osiąga równomierną temperaturę. Punkt topnienia sodu wynosi 97,5 st. C. To umożliwia chłodzenie zaworów również wtedy, gdy silnik pracuje z niewielkim obciążeniem. Ponieważ sód ma wysoką temperaturę wrzenia i jednocześnie małą prężność par, nawet przy bardzo silnych obciążeniach silnika nie występuje zagrożenie rozsadzenia trzonka zaworu. Niezwykle istotną cechą sodu jest jego mały ciężar właściwy oraz dobre przewodnictwo cieplne. Wydrążona część zaworu musi być wypełniona sodem w 60 – 70 %; pozostałą cześć uzupełnia się gazem. Koniecznie należy całkowicie usunąć powietrze z trzonka zaworu, gdyż może ono reagować z sodem. Zbiorniki na sód we wnętrzu zaworów mogą być wykonane różnymi metodami, w zależności od wymaganej intensywności chłodzenia.

Znaczne obciążenia cieplne zaworów utrudniają zapewnienie szczelności. Zawory wylotowe nierówno się nagrzewają, a ponadto osadzają się na nich produkty spalania. Aby zmniejszyć negatywne skutki tego typu, zaworom celowo nadawany jest ruch obrotowy.

Zawory w silnikach spalinowych, a przede wszystkim wylotowe, powinny się charakteryzować następującymi cechami:

– znaczną odpornością na ścieranie,

– dużą odpornością na korozję  (zarówno w niskiej, jak i wysokiej temperaturze),

– niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, od którego zależą luzy między trzonkami a prowadnicami,

– znaczną wytrzymałością na obciążenia udarowe i wysoką temperaturę,

– wysokim współczynnikiem przewodnictwa cieplnego,

– brakiem skłonności do samohartowania,

– niskim kosztem produkcji,

– niezmienną strukturą materiału, z którego są wykonane , szczególnie w wysokiej temperaturze,

– niewielkim ciężarem,

– znaczną twardością, szczególnie w wysokiej temperaturze,

Niezawodną pracę zaworów w silnikach spalinowych zapewnia stosowanie do ich produkcji stali stopowej najwyższej jakości. Niekiedy łączy się różne materiały i w ten sposób wykorzystuje pozytywne właściwości każdego z nich, by zagwarantować optymalne warunki pracy w różnych obszarach zaworów.

Zawory produkuje się głównie ze stali: stopowych, ferrytyczno – perlitycznych, austenitycznych oraz silchromów (tabela niżej).

Zastosowanie i warunki pracy stali stopowych do produkcji zaworów (Źródło: P. Adamiec, J. Dziubiński, „Wybrane zagadnienia materiałów konstrukcyjnych i technologii wytwarzania pojazdów”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998)

     Stale stopowe o strukturze ferrytyczno – perlitycznej najczęściej są używane do produkcji zaworów dolotowych. Do właściwości tych stali należą:

– niska ścieralność (po zahartowaniu)

– niski współczynnik rozszerzalności cieplnej,

– znaczne przewodnictwo cieplne,

– dobre właściwości hartownicze,

– łatwa obrabialność plastyczna i dobra skrawalność,

– dobra żaroodporność, ale niewystarczająca odporność na korozję w temperaturze powyżej 700 st. C.

Stale chromo – niklowe o strukturze austenistycznej charakteryzują się:

– stosunkowo dużą trwałością i znaczną wytrzymałością w wysokiej temperaturze oraz na utlenianie i korozję,

– w stosunku do stali o strukturze ferrytyczno – perlitycznej – mniejszą twardością w temperaturze otoczenia, ale większą w wysokiej temperaturze,

– niewielkim przewodnictwem cieplnym,

– znacznym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej,

Silchromy cechują się następującymi właściwościami:

– dużą wytrzymałością i odpornością na wysoką temperaturę,

– dużą odpornością na korozję w każdej temperaturze,

– twardością pracy zaworów niezależnie od temperatury,

– dużą wytrzymałością na zużycie,

– niższym współczynnikiem przewodnictwa cieplnego niż stale ferrytyczno – perlityczne, ale jednocześnie wyższym niż stale austenityczne,

– niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej,

Zawory dolotowe produkuje się ze stali niskostopowych o zawartości węgla 0,3 – 0,45%. Pozostałe pierwiastki to: chrom (ok. 1,3%), nikiel (ok. 1,2%), molibden (ok. 0,25%), mangan (0,5 – 0,8%). Zawory wylotowe są produkowane ze stali chromowo – krzemowej o zawartości 8 – 12% Cr i 2 – 4% Si.

Bądź pierwszy, który skomentuje ten wpis!

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany.


*