4.3. Элементы механизма газораспределения

Клапана предназначены для впуска в цилиндры свежей смеси и выпуска отработавших газов.

Клапаны работают в тяжелых условиях, подвергаясь действию высоких температур, давлению газов, сил упругости пружин и сил инерции деталей механизма. Наиболее тяжелым периодом работы является выпуск отработавших газов из цилиндров, когда температура газов превышает 900–1100° С, а скорость истечения более 400–600 м/сек.

Рис. 4.6. Клапаны, направляющие втулки и седла клапанов:

1 – седло клапана; 2 – головка клапана (плоская); 3 – стержень клапана; 4 – направляющая втулка; 5,6 – сёдла клапанов в теле чугунной головки; 7 – клапан с выпуклой головкой; 8 – клапан с тюльпанообразной головкой; 9 – клапан с натриевым охлаждением; 7’ – направляющая втулка без ограничителя; 8’ – направляющая втулка с внешним ограничительным буртиком; 9’ – направляющая втулка с канавкой под ограничительное кольцо

Вследствие ограниченного отвода теплоты головки выпускных клапанов нагреваются в бензиновых двигателях до 800–850° С, а в дизелях до 100–600° С. Это может привести к выгоранию рабочей поверхности выпускного клапана и к его короблению вследствие перекоса клапана, к коррозии рабочей поверхности, к попаданию на опорную поверхность (между гнездом и рабочей поверхностью) крупинок нагара, частиц металла и т. п. Впускные клапаны работают в более легких условиях.

Выпускные клапаны в бензиновых двигателях изготовляют из сталей ЭСХ8, Х9С2, Х10СМ, Х12Н7С, ЭН107 и ЭЯ2. С целью экономии жаропрочные материалы в ряде двигателей применяют только для головок клапанов, а стержни делают из сталей 40Х или 40ХН, затем эти детали сваривают. Для повышения коррозионной стойкости выпускных клапанов и уменьшения износа рабочей поверхности на нее и на головку клапана со стороны цилиндра наплавляют слой твердого сплава ВЗК (на кобальтовой основе), сормайта (на железной основе) или стеллита (60% Ni и 15% Сг) толщиной 1,5–2,5 мм.

С целью снижения температуры выпускных клапанов и повышения их надежности, а также для уменьшения требований к октановому числу топлива, применяется так называемое натриевое охлаждение, то есть клапан выполняется с полостью в тарелке и стержне, которая частично заполняется натрием. При нагреве натрий плавится и, перемещаясь от тарелки в стебель, способствует их охлаждению.

Впускные клапаны изготовляются из высоколегированных сталей X45CrSi93, X80CrNiSi20, X80CrMoW152 и др. путем горячей штамповки. Торец стержня клапана подвергают термообработке на высокую твердость (до 55НRC) c глубиной закаленного слоя 2,5…3,0 мм. С целью снижения массы впускных клапанов их часто выполняют тюльпанообразной формы.

Установка нескольких впускных клапанов позволяет не только увеличить их суммарное проходное сечение, но и уменьшить динамические нагрузки на привод клапанного механизма за счет снижения массы каждого клапана и уменьшения их максимального хода. Кроме того, применение двух выпускных клапанов позволяет снизить их температуру за счет лучшего теплоотвода при меньшем диаметре тарелки клапана.

Дополнительно увеличить проходное сечение всех четырех клапанов (два впускных и два выпускных) в полусферической камере сгорания удается при их наклонной установке. Однако вследствие существенного усложнения конструкции механизма привода данные системы встречаются редко. В двигателях с непосредственным впрыском бензина и наддувом их охлаждение достигается увеличением фаз перекрытия клапанов и продувкой камеры сгорания. Наилучшие условия для воздушного потока на входе в цилиндр достигаются в двигателях «Мицубиси» за счет вертикального расположения воздушного канала при наклонном положении клапанов.