Клапан газораспределительного механизма

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к клапанам газораспределительного механизма (ГРМ) и может быть использована в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Клапаны, перекрывающие впускные и выпускные отверстия цилиндров двигателя, имеют ограниченные размеры и работают в тяжелых условиях, характеризующихся большими динамическими нагрузками, высокими скоростями перемещения в направляющих втулках при ограниченной смазке, сложностью теплоотвода и неравномерностью нагрева отдельных участков выпускных клапанов потоком отработавших газов, содержащих сернистые и другие агрессивные компоненты и обладающими повышенной коррозионной агрессивностью. Различают клапаны с плоской, выпуклой и тюльпанообразной головками. Во время работы впускные клапаны нагреваются до 300-400°С, выпускные до 700-900°С. Указанные интервалы температур достаточны для того, чтобы заметно снизить (особенно для выпускных клапанов) прочность материала. Механическое воздействие расклепывает рабочую поверхность головки клапана, в результате увеличивается ее размер. Пары воды, остаточный кислород, оксиды углерода и серы, образующиеся в результате горения, вызывают коррозию материала клапана. Указанные процессы способствуют короблению или обгоранию кромок головки клапана, что приводит к нарушению герметичности. Поэтому головки клапанов изготовляют из кремнехромистых, кремнехромоникелевых и других высоколегированных жаростойких и коррозионностойких сталей, при этом последующей деформационной и термической обработкой создаются различные микроструктуры металла, обеспечивающие головке высокую твердость, сопротивление ползучести и термостойкость, а стержни изготавливают из хромистой или хромоникелевой сталей, обладающих хорошей износостойкостью.
Для расширения защитных свойств клапана применяется нанесение на клапан материала, обеспечивающего повышенную стойкость по отношению к агрессивной среде, термостойкость и прочность клапана, например сплавы типа стеллита с кобальтовой основой и содержанием хрома и вольфрама, что позволяет сохранять удовлетворительную герметичность.
Известен клапан газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания, выполненный в виде стержня с головкой в виде тарелки с расположенным на уплотнительной фаске тарелки рабочим кольцеобразным элементом в качестве опорной поверхности (авторское свидетельство СССР №363254, 1973 г.). В известном техническом решении рабочий элемент выполнен в виде кольца из сплава или металла с антикоррозионными и противоударными свойствами, форма контактной поверхности которого представляет собой конус, цилиндр или ступенчатую поверхность, при этом кольцо закреплено на тарелке методом электронно-лучевой сварки.
Недостатком известного технического решения является низкая долговечность, которая вызвана использованием для изготовления клапана и кольца металлов с различными механическими и теплофизическими свойствами, что приводит к дополнительным термическим напряжениям и появлению микротрещин, приводящих к последующему разрушению клапана.
Известен клапан газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания, выполненный в виде стержня с головкой в виде тарелки, на рабочей поверхности которой нанесено защитное покрытие, выполненное из материала, отличного от материала клапана, например нитрида титана (http://enginepower.pro/blogi/69-klapan-dvs.html, обнаружено в Интернет 26.09.2016 г.).
Применение в известном техническом решении покрытия повышает способность клапана противостоять окислению и износу, однако определяет необходимость выполнения клапана из более подходящих по термостойкости и прочности материалов, поскольку из-за разницы коэффициентов термического расширения материала клапана и покрытия возможна недостаточная адгезия. При этом не допускается наличие острых краев и тонких кромок на тарелке, поскольку эти места в процессе работы значительно перегреваются, повышается вероятность детонации, что приводит к прогару и разрушению клапана.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является известный клапан газораспределительного механизма, выполненный в виде стержня с тарелкой, имеющей выпуклую дугообразную рабочую поверхность, предназначенную для взаимодействия с седлом (патент RU №2169303, 2001 г.). Взаимодействие происходит по окружности, представляющей собой геометрическое место точек касания ответных поверхностей, что обеспечивает более плотное прижатие клапана к седлу. Кроме того, при таком выполнении улучшается обтекаемость клапана со стороны цилиндра, увеличивается прочность и жесткость конструкции, что в результате позволяет повысить надежность герметизации.
Повышение способности клапана противостоять окислению и износу обеспечивается нанесением защитного покрытия, которое следует нанести на рабочую поверхность. Целесообразность нанесения покрытия обусловлена также недостаточной твердостью материала тарелки клапана.
Техническая проблема, решаемая созданием заявляемой полезной модели заключается в расширении арсенала технических средств, а именно создание клапана газораспределительного механизма, обладающего аналогичной износостойкостью с применением современных материалов для нанесения покрытия.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью заключается в реализации ее назначения, т.е. создании клапана газораспределительного механизма ДВС.
Указанный технический результат достигается тем, что клапан газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания выполнен в виде стержня с тарелкой, имеющей выпуклую дугообразную рабочую поверхность, предназначенную для взаимодействия с седлом. Согласно полезной модели на рабочую поверхность тарелки нанесен слой силицированного графита трехфазной структуры при следующем соотношении компонентов, мас. %:
свободный кремний (Si)
5,0-15,0
свободный углерод (С)
5,0-50,0
вторичный карбид кремния (SiC)
остальное
Совокупность существенных признаков достаточна для решения
указанной технической проблемы, поскольку нанесение на рабочую поверхность головки клапана слоя силицированного графита трехфазной структуры при заданном соотношении градиентов обеспечивает реализацию назначения предлагаемой полезной модели.
Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием со ссылкой на чертеж, представленный на фигуре, где изображена схема клапанного узла.
Клапан газораспределительного механизма поршневого двигателя внутреннего сгорания выполнен в виде стержня 1 с тарелкой 2, рабочая поверхность которой имеет дугообразный профиль, взаимодействующий с в процессе работы с ответной рабочей поверхностью седла 3. На рабочей поверхности тарелки 2 нанесен слой 4 силицированного графита трехфазной структуры при следующем соотношении компонентов, мас. %:
свободный кремний (Si)
5,0-15,0
свободный углерод (С)
5,0-50,0
вторичный карбид кремния (SiC)
остальное
Клапан работает следующим образом. В закрытом положении клапан
садится на седло 3. При этом вследствие дугообразности профиля рабочей поверхности тарелки 2 взаимодействие происходит по окружности, представляющей собой геометрическое место точек касания ответных поверхностей, что обеспечивает более плотное прижатие клапана к седлу и соответственно более герметичное и надежное перекрытие проходного отверстия в седле 3. Предложенное соотношение компонентов в слое 4 покрытия позволяет оптимизировать прочностные и теплофизические параметры и, как следствие, высокотемпературную износостойкость клапана.
Известно, что силицированный графит является конструкционным материалом, обладающим тепловой и эрозионной стойкостью, ударной прочностью, стойкостью против теплового удара и против разрушающего воздействия агрессивных жидкостей и газов. Основным преимуществом силицированного графита (графитокарбидокремниевой композиции) трехфазной структуры является его высокая износостойкость по сравнению с другими металлическими и неметаллическими материалами. Для оценки свойств клапана с нанесенным на рабочую поверхность головки слоем силицированного графита трехфазной структуры при заданном соотношении градиентов были проведены сравнительные испытания, результаты которых представлены в таблице.
Влияние высоких температур на плотность прилегания тарелки 2 к седлу 3 значительно меньше ввиду низкого коэффициента термического расширения и высокой теплопроводности материала слоя 4 покрытия, а значительное повышение эрозионно-коррозионной стойкости связано с высокой твердостью материала покрытия. Наличие в составе материала свободного углерода и кремния, имеющих более низкую твердость (30-32 ГПа) исключает необходимость в притирке седла 3 и тарелки 2 клапана как в начальный момент, так и в процессе эксплуатации.
Сравнительный анализ данных, приведенных в таблице, позволяет сделать вывод о том, что предложенное техническое решение обеспечивает достаточную термостойкость, высокую теплопроводность, обеспечивающую быструю релаксацию и снижение температуры в зоне контакта седло-тарелка клапана, достаточную твердость при температурах свыше 1000°С. При этом низкий коэффициент термического расширения обеспечивает стабильность зазора в паре седло-тарелка клапана, что значительно снижает вероятность деформации седла и последующего его прогорания.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет решить поставленную проблему расширения арсенала технических средств, а именно клапана газораспределительного механизма, обладающего аналогичной износостойкостью с применением современных материалов для нанесения покрытия, обеспечив реализацию назначения предлагаемой полезной модели, т.е. создание клапана газораспределительного механизма ДВС повышенной износостойкости.