Αφανείς αλλά καθοριστικές, οι βαλβίδες κινητήρα είναι τα µικρά εξαρτήµατα που ρυθµίζουν την αναπνοή του µοτέρ. Ανοίγουν και κλείνουν µε ακρίβεια χιλιοστού, αντέχουν σε ακραίες θερµοκρασίες και πιέσεις, και καθορίζουν τόσο την απόδοση όσο και τη µακροζωία κάθε κινητήρα.
Ο ρόλος των βαλβίδων είναι να ανοίγουν τις διόδους των αερίων κατά τη διάρκεια της ανταλλαγής των αερίων και να κλείνουν όσο γίνεται αεροστεγώς τις διόδους των αερίων κατά τη διάρκεια της διαδροµής της συµπίεσης και της διαδροµής ισχύος. Παρότι έχουν χρησιµοποιηθεί στο παρελθόν αρκετοί τύποι βαλβίδων, ο τύπος που κυριάρχησε είναι οι λεγόµενες «µανιταροειδείς», που έχουν σχήµα µανιταριού µε επίπεδη την επιφάνεια της κεφαλής.
Μια βαλβίδα κινητήρα αποτελείται από δύο κύρια µέρη:
- Η κεφαλή της βαλβίδας είναι το πλατύ τμήμα της βαλβίδας, ένας κολουροκωνικός δίσκος, που είναι υπεύθυνο για τη στεγανοποίηση έναντι της πίεσης καύσης.
- Η επιφάνεια εδράσεως της βαλβίδας είναι η πλευρική. Αυτή είναι κολουροκωνική με κλίση της τάξεως του 50%. Η επιφάνεια αυτή εδράζεται στην αντίστοιχη επιφάνεια της κυλινδροκεφαλής που ονομάζεται έδρα της βαλβίδας. Η επιφάνεια έδρας κατεργάζεται μηχανικά σε μια συγκεκριμένη γωνία για να ταιριάζει με την έδρα της βαλβίδας, εξασφαλίζοντας στεγανοποίηση έναντι της πίεσης καύσης. Οι έδρες των βαλβίδων είναι συνήθως ανεξάρτητα κομμάτια που αντικαθίστανται σε περίπτωση φθοράς. Οι έδρες των βαλβίδων κατασκευάζονται από σκληρά κράματα.
Το στέλεχος ξεκινά από το κέντρο της κεφαλής. Το στέλεχος της βαλβίδας συνδέει τη βαλβίδα με τα μηχανικά εξαρτήματα (π.χ. ζυγώθρα, ωστήρια) που ελέγχουν την κίνησή της. Μεταδίδει τη δύναμη που απαιτείται για την ανύψωση της βαλβίδας έναντι της πίεσης έδρασης που ασκείται από το ελατήριο της βαλβίδας.
Η άκρη του στελέχους της βαλβίδας, η ουρά, βρίσκεται στο αντίθετο άκρο από την κεφαλή και έρχεται επανειλημμένα σε επαφή με το ζυγώθρο ή τον εκκεντροφόρο άξονα, μεταφέροντας δύναμη για να ανοίξει η βαλβίδα έναντι της πίεσης του ελατηρίου. Στην ουρά υπάρχουν και οι αυλακώσεις συγκράτησης, που ασφαλίζουν το ελατήριο της βαλβίδας και διασφαλίζουν τη σωστή ευθυγράμμιση της βαλβίδας.
Το στέλεχος της βαλβίδας κινείται μέσα στον οδηγό, ο οποίος φροντίζει ώστε η βαλβίδα να βρίσκεται πάντοτε στον ίδιο νοητό άξονα με την έδρα.
Οι βαλβίδες τοποθετούνται στην κυλινδροκεφαλή, αν και σε παλαιότερους κινητήρες συναντάμε και βαλβίδες τοποθετημένες στο μπλοκ των κυλίνδρων. Ανάλογα με τη διάταξη τοποθέτησης υπάρχουν οι τύποι T, I, L, V.
Τύποι βαλβίδων
Οι βαλβίδες κινητήρα ταξινομούνται τόσο με βάση τη λειτουργία τους ως βαλβίδες εισαγωγής ή εξαγωγής όσο και με βάση τον σχεδιασμό και τη σύνθεση του υλικού τους. Οι κύριοι τύποι βαλβίδων κινητήρα περιλαμβάνουν:
- Μονομεταλλικές βαλβίδες κινητήρα
- Διμεταλλικές βαλβίδες κινητήρα
- Κοίλες βαλβίδες κινητήρα
Οι μονομεταλλικές βαλβίδες κινητήρα είναι κατασκευασμένες από ένα μόνο υλικό που σχηματίζει τόσο το στέλεχος όσο και την κεφαλή της βαλβίδας. Αυτές οι βαλβίδες παρέχουν υψηλή αντοχή στη θερμότητα και καλές ιδιότητες κατά της τριβής, καθιστώντας τες αξιόπιστες για τυπικές εφαρμογές κινητήρα.
Οι διμεταλλικές βαλβίδες καθιστούν δυνατή τη χρήση του ιδανικού συνδυασμού υλικών τόσο για το στέλεχος όσο και για την κεφαλή. Κατασκευάζονται με την ένωση δύο διαφορετικών κραμάτων χρησιμοποιώντας μια διαδικασία συγκόλλησης τριβής. Η κεφαλή της βαλβίδας είναι συνήθως κατασκευασμένη από ωστενιτικό χάλυβα, ο οποίος προσφέρει αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και προστασία από τη διάβρωση, ενώ το στέλεχος της βαλβίδας είναι κατασκευασμένο από μαρτενσιτικό χάλυβα, ο οποίος παρέχει υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό και αντοχή στη φθορά. Αυτός ο συνδυασμός βελτιώνει τόσο την ανθεκτικότητα όσο και την απόδοση, ιδιαίτερα σε κινητήρες υψηλής απόδοσης.
Οι κοίλες βαλβίδες κινητήρα είναι εξειδικευμένες διμεταλλικές βαλβίδες που διαθέτουν μια κοιλότητα γεμάτη με νάτριο. Καθώς η θερμοκρασία της βαλβίδας αυξάνεται, το νάτριο υγροποιείται και κυκλοφορεί, μεταφέροντας θερμότητα μακριά από την καυτή κεφαλή βαλβίδας στο ψυχρότερο στέλεχος και βελτιώνοντας την απαγωγή της θερμότητας. Η θερμότητα μπορεί να ταξιδέψει από την κεφαλή της βαλβίδας στο στέλεχος της βαλβίδας και μπορεί να επιτευχθεί μείωση της θερμοκρασίας μεταξύ 80°C και 150°C.
Ο κοίλος σχεδιασμός επιτρέπει καλύτερη μεταφορά θερμότητας από τις συμπαγείς βαλβίδες, καθιστώντας τες ιδανικές για σύγχρονους κινητήρες υψηλής απόδοσης με υψηλότερες θερμοκρασίες καυσαερίων. Αυτές οι συνθήκες προκύπτουν από διαδικασίες καύσης φτωχού μείγματος για χαμηλότερες εκπομπές ρύπων, υψηλότερους λόγους συμπίεσης για μεγαλύτερη απόδοση και σχεδιασμούς κινητήρων με υπερσυμπιεστή που απαιτούν βαλβίδες ικανές να αντέχουν σε ακραίες θερμοκρασίες.
Οι κοίλες βαλβίδες χρησιμεύουν και για τη μείωση του βάρους.
Υλικά κατασκευής βαλβίδων
Οι βαλβίδες κινητήρα λειτουργούν υπό ακραίες συνθήκες, όπως υψηλές θερμοκρασίες, υψηλές πιέσεις και μηχανική καταπόνηση. Για να διασφαλιστεί η αξιόπιστη απόδοση του κινητήρα, αυτά τα εξαρτήματα πρέπει να αντέχουν στη συνεχή έκθεση σε δυνάμεις καύσης διατηρώντας παράλληλα τη δομική τους ακεραιότητα. Τα επίπεδα θερμικής και μηχανικής καταπόνησης ποικίλλουν μεταξύ των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής, επηρεάζοντας τη σύνθεση και την επεξεργασία του υλικού τους.
Οι βαλβίδες εισαγωγής σε κινητήρες εσωτερικής καύσης υφίστανται χαμηλότερη θερμική καταπόνηση λόγω της ψυκτικής επίδρασης του εισερχόμενου μείγματος αέρα/καυσίμου, η οποία βοηθά στη ρύθμιση της θερμοκρασίας τους. Ως αποτέλεσμα, συνήθως κατασκευάζονται από υλικά όπως χρώμιο, νικέλιο ή βολφράμιο, τα οποία παρέχουν επαρκή αντοχή και ανθεκτικότητα σε μέτριες θερμοκρασίες.
Αντίθετα, οι βαλβίδες εξαγωγής εκτίθενται σε σημαντικά υψηλότερες θερμοκρασίες από τα καυσαέρια. Με λιγότερη επαφή με την κυλινδροκεφαλή, δεν έχουν τα οφέλη ψύξης της αγωγιμότητας, οδηγώντας σε γρήγορες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Οι βαλβίδες εξαγωγής συχνά κατασκευάζονται από κράματα ανθεκτικά στη θερμότητα όπως νικέλιο, πυρίτιο-χρώμιο ή κοβάλτιο-χρώμιο για να αντέχουν σε αυτές τις ακραίες συνθήκες.
Για την περαιτέρω ενίσχυση της ανθεκτικότητας, οι επιφάνειες των βαλβίδων που εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες ενισχύονται μερικές φορές με στελίτη, ένα κράμα κοβαλτίου-χρωμίου που βελτιώνει την αντοχή στη φθορά. Άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή βαλβίδων περιλαμβάνουν ανοξείδωτο χάλυβα, τιτάνιο και κράματα υψηλής απόδοσης. Επιπλέον, εφαρμόζονται εξειδικευμένες επιστρώσεις και επιφανειακές επεξεργασίες – όπως επιχρωμίωση, επιμετάλλωση με φωσφορικά άλατα, επίστρωση νιτριδίου – για τη βελτίωση της αντοχής στη φθορά, της προστασίας από τη διάβρωση και της μακροζωίας.
Βλάβες των βαλβίδων
Οι βαλβίδες του κινητήρα μπορούν να υποστούν ζημιά για διάφορους λόγους, όπως:
- Υπερθέρμανση: Η υπερβολική θερμότητα του κινητήρα μπορεί να παραμορφώσει ή να ραγίσει τις βαλβίδες.
- Συσσώρευση αιθάλης: Οι εναποθέσεις άνθρακα στην έδρα ή το στέλεχος της βαλβίδας μπορούν να εμποδίσουν τη σωστή στεγανοποίηση, οδηγώντας σε απώλεια ισχύος και αστοχίες ανάφλεξης.
- Μηχανική φθορά: Όπως και άλλα εξαρτήματα του κινητήρα, οι βαλβίδες υφίστανται φθορά με την πάροδο του χρόνου.
- Ελαττωματική τοποθέτηση: Εάν οι βαλβίδες δεν τοποθετηθούν ή δεν συντηρηθούν σωστά, ενδέχεται να μην λειτουργούν όπως αναμένεται, προκαλώντας προβλήματα στον κινητήρα.
Η διατήρηση της ακεραιότητας των βαλβίδων του κινητήρα είναι ζωτικής σημασίας για την απόδοση του κινητήρα. Οι κατεστραμμένες βαλβίδες μπορούν να προκαλέσουν μια ποικιλία προβλημάτων, όπως:
- Μειωμένη Απόδοση Κινητήρα: Η κακή στεγανοποίηση των βαλβίδων επηρεάζει τη συμπίεση, οδηγώντας σε μειωμένη ισχύ και απόδοση καυσίμου.
- Ρετάρισμα και σβήσιμο του κινητήρα: Οι ελαττωματικές βαλβίδες μπορούν να προκαλέσουν αστοχίες ανάφλεξης, τραχύ ρελαντί ή σβήσιμο του κινητήρα.
- Αυξημένες εκπομπές ρύπων: Οι κατεστραμμένες βαλβίδες μπορούν να προκαλέσουν ατελή καύση, οδηγώντας σε υψηλότερες εκπομπές ρύπων.
Επιθεώρηση βαλβίδων
Ο έλεγχος της κατάστασης των βαλβίδων και των εδρών των βαλβίδων πραγματοποιείται μετά την αποσυναρμολόγηση της κυλινδροκεφαλής και την αφαίρεση των βαλβίδων. Οπτικός έλεγχος βαλβίδων:
- Ελέγξτε τις βαλβίδες για ομαλή κίνηση και καλή εφαρμογή.
- Ελέγξτε τους οδηγούς για φθορά.
- Ελέγξτε τα ανυψωτικά/ζυγώθρα.
- Ελέγξτε το πάνω μέρος του στελέχους της βαλβίδας για ζημιά/συσσώρευση.
- Ελέγξτε τους λοβούς του εκκεντροφόρου για ζημιά ή υπερβολική φθορά.
Οι βαλβίδες και οι έδρες βαλβίδων λειτουργούν σε πολύ δυσμενείς συνθήκες και θα πρέπει να ελέγχονται προσεκτικά κάθε φορά που αφαιρείται η κυλινδροκεφαλή από τον κινητήρα.
Μετά την αφαίρεση της βαλβίδας από την κυλινδροκεφαλή, οι βαλβίδες και οι έδρες θα πρέπει να ελέγχονται οπτικά για ρωγμές, σημάδια υπερθέρμανσης, σημάδια διαρροής και ζημιές στην επιφάνεια, το στέλεχος και την άκρη της βαλβίδας. Εάν εντοπιστεί κάποιο από τα προβλήματα, η βαλβίδα πρέπει να αντικατασταθεί και η έδρα να αντικατασταθεί ή να επισκευαστεί ανάλογα με τον βαθμό ζημιάς.
Εάν δεν υπάρχουν εμφανή οπτικά ελαττώματα, τότε η βαλβίδα και η έδρα μετρώνται και συγκρίνονται με τις τιμές που δίνει ο κατασκευαστής.
Η διάμετρος του στελέχους της βαλβίδας θα πρέπει να μετράται στο τμήμα που διέρχεται από τον οδηγό βαλβίδας. Η μέτρηση πραγματοποιείται με μικρόμετρο και τα αποτελέσματα της μέτρησης συγκρίνονται με αυτά που δίνονται στις προδιαγραφές.
Καµµένες βαλβίδες
Οι βαλβίδες εξαγωγής είναι αυτές που είναι πιο πιθανό να καούν επειδή λειτουργούν σε πιο υψηλές θερμοκρασίες από αυτές της εισαγωγής. Οι βαλβίδες εισαγωγής ψύχονται από τον εισερχόμενο αέρα και το καύσιμο και κατά συνέπεια λειτουργούν στους περίπου 400 βαθμούς Κελσίου. Οι βαλβίδες εξαγωγής, από την άλλη πλευρά, λαμβάνουν ελάχιστη τέτοια ψύξη και θερμαίνονται από τα θερμά καυσαέρια. Οι βαλβίδες εξαγωγής λειτουργούν στους 650 έως 750 βαθμούς Κελσίου κατά μέσο όρο, γεγονός που τις καθιστά πολύ πιο ευάλωτες στη διάβρωση και το κάψιμο από τις βαλβίδες εισαγωγής. Η υψηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας απαιτεί ένα πιο ανθεκτικό κράμα, γι’ αυτό και οι βαλβίδες εξαγωγής είναι συνήθως κατασκευασμένες από χρωμιοπυριτιούχα χάλυβα.
Οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής βασίζονται στη φυσική επαφή με την έδρα και τον οδηγό της βαλβίδας για ψύξη. Περίπου το 75% της θερμότητας καύσης που απομακρύνεται από τη βαλβίδα περνάει από την έδρα, επομένως η καλή επαφή της έδρας είναι απαραίτητη για την αποφυγή τοπικών υπερθερμάνσεων. Το υπόλοιπο 25% της θερμότητας διαχέεται μέσω του στελέχους της βαλβίδας προς τους οδηγούς. Όταν οι βαλβίδες είναι κοίλες και γεμισμένες με νάτριο απορροφούν ακόμη περισσότερη θερμότητα μέσω των στελεχών για να βοηθήσουν στην ψύξη. Εάν η βαλβίδα δεν λάβει επαρκή ψύξη, μπορεί να υπερθερμανθεί, να καεί και να αστοχήσει.
Οτιδήποτε παρεμβαίνει στην ψύξη της βαλβίδας ή δημιουργεί επιπλέον θερμότητα στη βαλβίδα μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρη βλάβη της βαλβίδας. Η συσσώρευση εναποθέσεων στην επιφάνεια και την έδρα της βαλβίδας μπορεί να έχει μονωτικό αποτέλεσμα που επιβραδύνει την ψύξη και προκαλεί υπερθέρμανση της βαλβίδας. Το ίδιο ισχύει και για την κακή επαφή μεταξύ της βαλβίδας και της έδρας, εάν η έδρα είναι πολύ στενή, μη ομόκεντρη ή εκτός θέσης. Εάν οι εναποθέσεις συσσωρευτούν σε ένα σημείο, μπορεί να προκληθούν διαρροές που δημιουργούν θερμά σημεία στη βαλβίδα και να οδηγήσουν σε αυλακώσεις που διαβρώνονται ή καίγονται.
Τα αδύναμα ελατήρια ή η ανεπαρκής επαφή της βαλβίδας μπορούν επίσης να εμποδίσουν την καλή επαφή βαλβίδας–εδράς και να επιτρέψουν τη συσσώρευση υπερβολικής θερμότητας στις βαλβίδες. Μια χαλαρή έδρα ή ένας οδηγός που δεν εφαρμόζει σωστά μπορεί επίσης να εμποδίσει τη μεταφορά θερμότητας στην κεφαλή και να συμβάλει στην υπερθέρμανση.
Η υποχώρηση των βαλβίδων μπορεί να προκαλέσει παρόμοιο είδος προβλήματος. Καθώς οι έδρες φθείρονται και οι βαλβίδες υποχωρούν στην κεφαλή, χάνεται η καλή επαφή με την έδρα, και η βαλβίδα υπερθερμαίνεται και καίγεται.
Τα προβλήματα ψύξης στον ίδιο τον κινητήρα μπορούν να οδηγήσουν σε κόλλημα και κάψιμο των βαλβίδων εάν η θερμοκρασία λειτουργίας αυξηθεί πολύ. Η χαμηλή ποσότητα ψυκτικού, ένας ελαττωματικός θερμοστάτης, μια αδύναμη αντλία νερού, ένα φράξιμο του ψυγείου, ένα ελαττωματικό βεντιλατέρ μπορούν να προκαλέσουν υπερθέρμανση του κινητήρα. Αυτό, με τη σειρά του, μπορεί να προκαλέσει φθορά στις βαλβίδες.
Οι βαλβίδες μπορούν επίσης να υπερθερμανθούν λόγω αυξημένων θερμοκρασιών καύσης. Παράγοντες όπως ο καθυστερημένος χρονισμός ανάφλεξης, τα φτωχά μείγματα καυσίμου ή η προανάφλεξη μπορούν να διαδραματίσουν κάποιο ρόλο εδώ. Ομοίως, οι περιορισμοί στη ροή των καυσαερίων, όπως ένας φραγμένος καταλύτης, μπορούν να προκαλέσουν υπερθέρμανση των βαλβίδων. Τέλος, η μετατροπή ενός κινητήρα που καίει βενζίνη σε υγραεριοκίνητο προκαλεί τέτοια φαινόμενα.
Σπασµένες βαλβίδες
Το σπάσιμο της βαλβίδας είναι μία δυσάρεστη βλάβη που συχνά οδηγεί σε καταστροφή του κινητήρα.
Οι βαλβίδες σπάνε σε δύο σηµεία: εκεί όπου η κεφαλή ενώνεται µε το στέλεχος ή στο άκρο του στελέχους στις αυλακώσεις συγκράτησης.
Οι αιτίες σπασίματος της κεφαλής περιλαμβάνουν την αστοχία λόγω κόπωσης από την κάμψη της βαλβίδας, το χτύπημα και το θερμικό σοκ. Στις βαλβίδες δύο τεμαχίων, η σύνδεση μεταξύ του στελέχους και της κεφαλής είναι το σημείο όπου η βαλβίδα συχνά ραγίζει και χωρίζεται, όχι επειδή η βαλβίδα είναι ελαττωματική αλλά επειδή αυτή η περιοχή καταπονείται έντονα λόγω της ένωσης δύο ανόμοιων κραμάτων.
Το σπάσιμο στην άκρη του στελέχους μπορεί να προκληθεί από υπερβολική πλευρική φόρτιση εάν υπάρχει κακή ευθυγράμμιση του ζυγώθρου. Μπορεί επίσης να προκληθεί από υπερβολική τριβή της βαλβίδας που εμποδίζει το σύστημα βαλβίδων να απορροφήσει τον κραδασμό της βαλβίδας καθώς κλείνει.
Λυγισµένες βαλβίδες
Εκτός από το κάψιμο και το σπάσιμο, υπάρχουν και ορισμένα άλλα προβλήματα βαλβίδων, μερικά από τα οποία μπορεί να υποδηλώνουν υποκείμενα προβλήματα που πρέπει επίσης να διορθωθούν:
Οι λυγισμένες βαλβίδες είναι συνήθως αποτέλεσμα επαφής μεταξύ βαλβίδας και εμβόλου. Άλλοι πιθανοί ύποπτοι εδώ συνήθως περιλαμβάνουν μια σπασμένη αλυσίδα ή ιμάντα χρονισμού, αδύναμα ή σπασμένα ελατήρια βαλβίδων, υπερβολική αύξηση στροφών του κινητήρα, κόλλημα βαλβίδων και ανεπαρκή απόσταση βαλβίδας–εμβόλου.
Φθαρµένα στελέχη: µια φυσιολογική κατάσταση για βαλβίδες σε κινητήρα που έχει λειτουργήσει για πολλά χιλιόµετρα ή για κακή λίπανση (συνήθως χρήση πιο παχύρευστου λιπαντικού).
ΝΙΚΟΣ ΒΑΣΙΛΑΚΗσ
