Ο ρόλος των βαλβίδων είναι να ανοίγουν τις διόδους των αερίων κατά τη φάση της ανταλλαγής και να τις κλείνουν όσο το δυνατόν πιο αεροστεγώς κατά τη διαδροµή της συµπίεσης και της καύσης. Παρότι κατά το παρελθόν έχουν χρησιµοποιηθεί διάφοροι τύποι, εκείνος που επικράτησε είναι οι λεγόµενες µηκυτοειδείς βαλβίδες, µε χαρακτηριστικό σχήµα µανιταριού και επίπεδη επιφάνεια κεφαλής.
Μια βαλβίδα κινητήρα αποτελείται από δύο κύρια µέρη: Η κεφαλή της βαλβίδας είναι το πλατύ τµήµα της βαλβίδας, ένας κολουροκωνικός δίσκος, ο οποίος είναι υπεύθυνος για τη στεγανοποίηση έναντι της πίεσης καύσης.
Η επιφάνεια έδρασης της βαλβίδας είναι η πλευρική επιφάνεια της κεφαλής. Πρόκειται για επιφάνεια κολουροκωνικής μορφής, με κλίση της τάξεως του 50%. Η επιφάνεια αυτή εδράζεται στην αντίστοιχη επιφάνεια της κυλινδροκεφαλής, η οποία ονομάζεται έδρα της βαλβίδας. Η επιφάνεια έδρασης κατεργάζεται μηχανικά σε συγκεκριμένη γωνία ώστε να ταιριάζει με την έδρα της κυλινδροκεφαλής, εξασφαλίζοντας στεγανοποίηση έναντι της πίεσης καύσης. Οι έδρες των βαλβίδων, που κατασκευάζονται από σκληρά κράματα, είναι συνήθως ανεξάρτητα εξαρτήματα, τα οποία αντικαθίστανται σε περίπτωση φθοράς.
Το στέλεχος ξεκινά από το κέντρο της κεφαλής. Το στέλεχος της βαλβίδας συνδέει τη βαλβίδα με τα μηχανικά εξαρτήματα, όπως τα ζυγώθρα ή τα 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 τη δύναμη που απαιτείται για το άνοιγμα της βαλβίδας 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 συναντώνται και βαλβίδες τοποθετημένες στο μπλοκ των κυλίνδρων. Ανάλογα με τη διάταξη τοποθέτησης διακρίνονται οι τύποι T, I, L και 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. Οι βαλβίδες αυτές παρέχουν υψηλή αντοχή στη θερμότητα και καλές ιδιότητες έναντι της τριβής, γεγονός που τις καθιστά 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 μέσω διαδικασίας 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. Ο συνδυασμός αυτός βελτιώνει τόσο την ανθεκτικότητα όσο και την απόδοση, ιδιαίτερα σε κινητήρες υψηλής απόδοσης.
Οι κοίλες βαλβίδες κινητήρα αποτελούν εξειδικευμένες διμεταλλικές βαλβίδες που διαθέτουν εσωτερική κοιλότητα γεμισμένη με νάτριο. Καθώς η θερμοκρασία της βαλβίδας αυξάνεται, το νάτριο υγροποιείται και κυκλοφορεί στο εσωτερικό της, μεταφέροντας θερμότητα από την καυτή κεφαλή της βαλβίδας προς το ψυχρότερο στέλεχος και βελτιώνοντας την απαγωγή της θερμότητας. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να επιτευχθεί μείωση της θερμοκρασίας της βαλβίδας μεταξύ 80°C και 150°C.
Ο κοίλος σχεδιασμός επιτρέπει καλύτερη μεταφορά θερμότητας σε σύγκριση με τις συμπαγείς βαλβίδες, γεγονός που τις καθιστά ιδανικές για σύγχρονους κινητήρες υψηλής απόδοσης με υψηλότερες θερμοκρασίες καυσαερίων. Οι συνθήκες αυτές 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 συμβάλλουν επίσης στη μείωση του βάρους.
Υλικά κατασκευής βαλβίδων
Οι βαλβίδες κινητήρα λειτουργούν υπό ακραίες συνθήκες, όπως υψηλές θερμοκρασίες, υψηλές πιέσεις και έντονη μηχανική καταπόνηση. Για να διασφαλιστεί η αξιόπιστη λειτουργία του κινητήρα, τα εξαρτήματα αυτά πρέπει να αντέχουν στη συνεχή έκθεση στις δυνάμεις της καύσης, διατηρώντας παράλληλα τη δομική τους ακεραιότητα.
Τα επίπεδα θερµικής και µηχανικής καταπόνησης διαφέρουν µεταξύ των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής, γεγονός που επηρεάζει 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 και καυσίμου, η οποία συμβάλλει στη ρύθμιση της θερμοκρασίας τους. Για τον λόγο αυτό συνήθως κατασκευάζονται από υλικά, όπως κράματα χρωμίου, νικελίου ή βολφραμίου, τα οποία παρέχουν επαρκή αντοχή και ανθεκτικότητα σε μέτριες θερμοκρασίες.
Αντίθετα, οι βαλβίδες εξαγωγής εκτίθενται σε σημαντικά υψηλότερες θερμοκρασίες από τα καυσαέρια. Με περιορισμένη επαφή με την κυλινδροκεφαλή, δεν επωφελούνται στον ίδιο βαθμό από την ψύξη μέσω αγωγιμότητας, με αποτέλεσμα να υφίστανται έντονες θερμικές διακυμάνσεις. Για τον λόγο αυτό συχνά κατασκευάζονται από κράματα ανθεκτικά στη θερμότητα, όπως κράματα νικελίου, πυριτίου και χρωμίου ή κοβαλτίου και χρωμίου, ώστε να αντέχουν στις ακραίες αυτές συνθήκες.
Για την περαιτέρω ενίσχυση της ανθεκτικότητας, οι επιφάνειες των βαλβίδων που εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες ενισχύονται ορισμένες φορές με στελίτη, ένα κράμα κοβαλτίου και χρωμίου που βελτιώνει σημαντικά 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 και επιστρώσεις νιτριδίων, οι οποίες συμβάλλουν στη βελτίωση της αντοχής στη φθορά, της προστασίας από τη διάβρωση και της συνολικής διάρκειας ζωής των εξαρτημάτων.
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 στο 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 προβλέπεται, προκαλώντας προβλήματα στη λειτουργία του κινητήρα.
Η διατήρηση της ακεραιότητας των βαλβίδων είναι ζωτικής σηµασίας για την απόδοση του κινητήρα.
Οι κατεστραμμένες βαλβίδες μπορούν να προκαλέσουν διάφορα προβλήματα, όπως:
- Μειωμένη απόδοση κινητήρα: Η κακή στεγανοποίηση των βαλβίδων επηρεάζει τη συμπίεση, οδηγώντας σε μειωμένη ισχύ και χαμηλότερη απόδοση καυσίμου.
- Ρετάρισμα και σβήσιμο του κινητήρα: Οι ελαττωματικές βαλβίδες μπορούν να προκαλέσουν αστοχίες ανάφλεξης, ασταθές 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 τους πραγματοποιείται μετά την αποσυναρμολόγηση της κυλινδροκεφαλής και την αφαίρεση των βαλβίδων.
Οπτικός έλεγχος βαλβίδων
- Ελέγξτε τις βαλβίδες για ομαλή κίνηση και σωστή εφαρμογή.
- Ελέγξτε τους οδηγούς για φθορά.
- Ελέγξτε τα ανυψωτικά και τα ζυγώθρα.
- Ελέγξτε το άνω μέρος του στελέχους της βαλβίδας για ζημιές ή συσσώρευση επικαθίσεων.
- Ελέγξτε τους λοβούς του εκκεντροφόρου για ζημιές ή υπερβολική φθορά.
Οι βαλβίδες και οι έδρες τους λειτουργούν σε ιδιαίτερα δυσμενείς συνθήκες και πρέπει να ελέγχονται προσεκτικά κάθε φορά που αφαιρείται η κυλινδροκεφαλή από τον κινητήρα.
Μετά την αφαίρεση της βαλβίδας από την κυλινδροκεφαλή, τόσο η βαλβίδα όσο και η έδρα της πρέπει να ελέγχονται οπτικά για ρωγμές, σημάδια υπερθέρμανσης, ενδείξεις διαρροής και ζημιές στην επιφάνεια της κεφαλής, στο στέλεχος και στην άκρη της βαλβίδας. Εάν εντοπιστεί κάποιο από τα παραπάνω προβλήματα, η βαλβίδα πρέπει να αντικατασταθεί και η έδρα επίσης να αντικατασταθεί ή να επισκευαστεί, ανάλογα με το βαθμό της ζημιάς.
Εάν δεν υπάρχουν εμφανή οπτικά ελαττώματα, τότε η βαλβίδα και η έδρα μετρώνται και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τις τιμές που δίνει ο κατασκευαστής.
Η διάµετρος του στελέχους της βαλβίδας πρέπει να µετράται στο τµήµα που διέρχεται από τον οδηγό της βαλβίδας. Η µέτρηση πραγµατοποιείται µε µικρόµετρο και τα αποτελέσµατα να αντιπαραβάλλονται µε τις προδιαγραφές του κατασκευαστή.
Καµένες βαλβίδες
Οι βαλβίδες εξαγωγής είναι εκείνες που είναι πιο πιθανό να καούν, επειδή λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες από τις βαλβίδες εισαγωγής. Οι βαλβίδες εισαγωγής ψύχονται από τον εισερχόμενο αέρα και το καύσιμο και κατά συνέπεια λειτουργούν περίπου στους 400 βαθμούς Κελσίου. Οι βαλβίδες εξαγωγής, αντίθετα, λαμβάνουν ελάχιστη τέτοια ψύξη και θερμαίνονται από τα θερμά καυσαέρια. Λειτουργούν κατά μέσο όρο σε θερμοκρασίες από 650 έως 750 βαθμούς Κελσίου, γεγονός που τις καθιστά πολύ πιο ευάλωτες στη διάβρωση και στο κάψιμο. Για τον λόγο αυτό οι βαλβίδες εξαγωγής είναι συνήθως κατασκευασμένες από χρωμιοπυριτιούχα κράματα χάλυβα.
Οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής βασίζονται στη φυσική επαφή με την έδρα και τον οδηγό της βαλβίδας για την ψύξη τους. Περίπου το 75% της θερμότητας καύσης που απομακρύνεται από τη βαλβίδα μεταφέρεται μέσω της έδρας, επομένως η καλή επαφή της έδρας είναι απαραίτητη για την αποφυγή τοπικών υπερθερμάνσεων. Το υπόλοιπο 25% της θερμότητας διαχέεται μέσω του στελέχους προς τους οδηγούς της βαλβίδας. Όταν οι βαλβίδες είναι κοίλες και γεμισμένες με νάτριο, μπορούν να απομακρύνουν ακόμη περισσότερη θερμότητα μέσω των στελεχών.
Εάν η βαλβίδα δεν λάβει επαρκή ψύξη, µπορεί να υπερθερµανθεί, να καεί και τελικά να αστοχήσει.
Οποιοσδήποτε παράγοντας παρεμβαίνει στην ψύξη της βαλβίδας ή δημιουργεί επιπλέον θερμότητα μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρη βλάβη. Η συσσώρευση εναποθέσεων στην επιφάνεια και στην έδρα της βαλβίδας μπορεί να έχει μονωτικό αποτέλεσμα που επιβραδύνει την ψύξη και προκαλεί υπερθέρμανση. Το ίδιο ισχύει και για την κακή επαφή μεταξύ της βαλβίδας και της έδρας, όταν η έδρα είναι πολύ στενή, μη ομόκεντρη ή εκτός θέσης.
Τα αδύναμα ελατήρια ή η ανεπαρκής επαφή της βαλβίδας με την έδρα μπορούν επίσης να επιτρέψουν τη συσσώρευση υπερβολικής θερμότητας. Μια χαλαρή έδρα ή ένας οδηγός που δεν εφαρμόζει σωστά μπορεί να εμποδίσει τη μεταφορά θερμότητας προς την κυλινδροκεφαλή και να συμβάλει στην υπερθέρμανση.
Η υποχώρηση των βαλβίδων μπορεί να προκαλέσει παρόμοιο πρόβλημα. Καθώς οι έδρες φθείρονται και οι βαλβίδες υποχωρούν μέσα στην κυλινδροκεφαλή, χάνεται η σωστή επαφή με την έδρα και η βαλβίδα υπερθερμαίνεται και καίγεται.
Προβλήματα ψύξης στον ίδιο τον κινητήρα μπορούν επίσης να οδηγήσουν σε κόλλημα ή κάψιμο των βαλβίδων. Η χαμηλή ποσότητα ψυκτικού, ένας ελαττωματικός θερμοστάτης, μια αδύναμη αντλία νερού, φραγμένο ψυγείο ή ελαττωματικός ανεμιστήρας μπορούν να προκαλέσουν υπερθέρμανση του κινητήρα και συνεπακόλουθη φθορά στις βαλβίδες.
Οι βαλβίδες ενδέχεται επίσης να υπερθερμανθούν λόγω αυξημένων θερμοκρασιών καύσης. Παράγοντες όπως ο καθυστερημένος χρονισμός ανάφλεξης, τα φτωχά μείγματα καυσίμου ή η προανάφλεξη υπάρχει πιθανότητα να συμβάλουν σε αυτό το φαινόμενο. Παράλληλα, περιορισμοί στη ροή των καυσαερίων, όπως ένας φραγμένος καταλύτης, μπορεί να οδηγήσουν σε υπερθέρμανση των βαλβίδων.
Τέλος, η μετατροπή ενός κινητήρα βενζίνης σε υγραεριοκίνητο ενδέχεται επίσης να συμβάλει στην εμφάνιση τέτοιων φαινομένων.
Σπασµένες βαλβίδες
Το σπάσιμο της βαλβίδας αποτελεί μια σοβαρή βλάβη που συχνά οδηγεί σε εκτεταμένη καταστροφή του κινητήρα. Οι βαλβίδες σπάνε συνήθως σε δύο σημεία: στο σημείο όπου η κεφαλή ενώνεται με το στέλεχος ή στο άκρο του στελέχους, στις αυλακώσεις συγκράτησης.
Οι αιτίες σπασίματος της κεφαλής περιλαμβάνουν αστοχία λόγω κόπωσης από κάμψη, κρούσεις και θερμικό σοκ. Στις βαλβίδες δύο τεμαχίων, η σύνδεση μεταξύ του στελέχους και της κεφαλής αποτελεί το σημείο όπου η βαλβίδα συχνά ραγίζει και διαχωρίζεται. Αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι η βαλβίδα είναι ελαττωματική, αλλά ότι η περιοχή αυτή καταπονείται έντονα λόγω της ένωσης δύο διαφορετικών κραμάτων.
Το σπάσιμο στην άκρη του στελέχους μπορεί να προκληθεί από υπερβολική πλευρική φόρτιση, όταν υπάρχει κακή ευθυγράμμιση του ζυγώθρου. Ενδέχεται επίσης να προκληθεί από αυξημένη τριβή της βαλβίδας που εμποδίζει το σύστημα των βαλβίδων να απορροφήσει τον κραδασμό της βαλβίδας κατά το κλείσιμό της.
Λυγισµένες βαλβίδες
Εκτός από το κάψιμο και το σπάσιμο, υπάρχουν και άλλα προβλήματα βαλβίδων, ορισμένα από τα οποία μπορεί να υποδηλώνουν υποκείμενα προβλήματα που πρέπει επίσης να αντιμετωπιστούν.
Οι λυγισμένες βαλβίδες είναι συνήθως αποτέλεσμα επαφής μεταξύ βαλβίδας και εμβόλου. Πιθανές αιτίες περιλαμβάνουν σπασμένη αλυσίδα ή ιμάντα χρονισμού, αδύναμα ή σπασμένα ελατήρια βαλβίδων, υπερβολική αύξηση των στροφών του κινητήρα, κόλλημα βαλβίδων ή ανεπαρκή απόσταση μεταξύ βαλβίδας και εμβόλου.
Φθαρµένα στελέχη: Μια συνηθισµένη κατάσταση σε κινητήρες µε πολλά χιλιόµετρα λειτουργίας ή σε περιπτώσεις κακής λίπανσης, όπως για παράδειγµα όταν χρησιµοποιείται λιπαντικό µε ακατάλληλο ιξώδες.
NIKOΣ ΒΑΣΙΛΑΚΗσ
