Клапан – це деталь газорозподільного механізму. Клапанний механізм (механізм привода клапанів) є складовою частиною газорозподільного механізму (ГРМ).
ГРМ буває нижнеклапаннымм і верхнеклапаннымм. Сучасні силові агрегати повсюдно мають верхнє розташування клапанів.
Клапан реалізує пряму подачу в циліндри певної порції паливно-повітряної суміші або тільки повітря, а також здійснює випуск відпрацьованих газів. Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння для нормальної роботи потрібно не менше двох клапанів на один циліндр.
Клапани бувають двох видів, що залежить від їх прямої функції:
- впускний клапан;
- випускний клапан;
Сьогодні на сучасні мотори встановлюються клапани тарілчастого типу, які мають стрижень. Пристрій клапана включає в себе так звану тарілку клапана. Найбільш поширена конструкція ДВС отримала клапани, які розташовані в головці блоку циліндрів (ГБЦ). Те місце, де клапан контактує з ГБЦ, отримало назву сідло клапана. Сідло клапана ДВС сталева або чавунна, запрессовано в головку блоку циліндрів.
Максимально якісне наповнення циліндра двигуна паливно-повітряною сумішшю або повітрям вимагає того, щоб діаметр тарілки впускного клапана був більше, ніж у випускного клапана. Впускні і випускні клапани мають певні відмінності з цієї причини. Впускний клапан часто отримує більший діаметр тарілки. Це зроблено для того, щоб поліпшити наповнення циліндрів паливно-повітряною сумішшю або тільки повітрям.
Що стосується випускного клапана, збільшення діаметра його тарілки необхідність також присутня. Це необхідно для кращого очищення циліндрів від продуктів згоряння. Зазначимо, що розмір тарілки впускного і випускного клапанів обмежений розмірами самої камери згоряння, яка виготовлена в ГБЦ. Якісне наповнення циліндрів і очищення реалізуються не шляхом збільшення діаметру тарілки одного клапана, а шляхом встановлення більшої кількості клапанів на один циліндр.
Клапани ДВС в процесі роботи мотора відчувають серйозні механічні і теплові навантаження. З цієї причини їх виготовляють з особливих жаростійких та зносостійких металевих сплавів. Кромка тарілки клапана може бути посиленою, іноді сама тарілка посилюється за допомогою керамічного напилення. Що стосується стрижня, то для впускного клапана передбачений суцільнометалевий стрижень. Випускний клапан має порожнистий стрижень, додатково отримує натрієве наповнення для поліпшення охолодження тарілки клапана.
Підвищена увага приділяється питанню охолодження саме випускних клапанів, особливо для продуктивних силових агрегатів. Випускні клапана піддані тепловому навантаженні набагато більше впускних. Як вже було сказано, клапани в таких двигунах мають порожній стрижень, який всередині наповнений натрієм. Таке рішення є ефективним способом охолодження. Зазначений натрій при виході двигуна на робочу температуру плавиться усередині порожнистого стрижня клапана, а потім в розплавленому вигляді тече. Так здійснюється перенесення надлишків тепла від розігрітій тарілки клапана до його стержня.
Місце прилягання тарілки клапана до блоку називається фаскою. Для того щоб фаска не страждала від скупчення нагару, а також було реалізовано рівномірний розподіл тепла, в конструкції клапанного механізму використовуються рішення для обертання (провертання) клапана в процесі роботи ДВС.
Сучасне пристрій найбільш поширеного двигуна передбачає схему з чотирма клапанами, що означає наявність двох впускних і двох випускних клапанів на кожен окремий циліндр. У момент відкриття (клапан опускається) впускного клапана утвориться кільцевої прохід. Через цей прохід між тарілкою клапана і сідлом клапана потрапляє в циліндр паливно-повітряна суміш або тільки повітря. Від площі прохідного перерізу буде залежати ефективність наповнення циліндра, що надалі впливає на показники продуктивності при робочому ході поршня.
Можуть також зустрічатися двухклапанные, трехклапанные і пятиклапанные схеми пристрою ГРМ. У першому випадку використовується тільки один впускний і один випускний клапан на циліндр. Для трехклапанных схем характерна наявність двох впускних і одного випускного клапана. Схема на п’ять клапанів означає, що стоять три впускних і два випускних клапана. Кількість клапанів на циліндр залежить від загального розміру камери згоряння конкретного двигуна, реалізації привода клапанів, ступеня форсування мотора, а також ряду інших факторів.
Відкриття клапана реалізовано за допомогою натискання на клапанний стрижень. За відкриття відповідає привід клапана. Зазначений привід забезпечує передачу зусилля від розподільного вала (розподільного валу). У сучасних двигунах використовуються дві базові схеми привода клапанів: привід допомогою гідравлічних штовхачів клапана і реалізація приводу за допомогою роликових важелів.
Закриття клапана в процесі роботи ДВС здійснюється за допомогою спеціальної пружини певної жорсткості. Жорсткість такої пружини повинна бути обмеженою, щоб не створювати великих ударних навантажень на сідла клапанів. Сила впливу пружини змушує тарілку клапана герметично перекривати впускний або випускний канал. Пружина клапана кріпиться на стрижні за допомогою тарілки клапанної пружини і сухарів. Під час роботи мотора, особливо під навантаженням, можуть виникати резонансні коливання на клапанах. Для усунення цього нюансу можуть бути встановлені відразу дві клапанні пружини з різноспрямованими витками.
Жорсткість таких пружин менше порівняно з рішеннями, які отримали тільки з однією пружиною. Використання двох пружин має на увазі те, що вони навиті в різні сторони. Це зроблено для запобігання заклинювання клапана в результаті поломки однієї пружини. Так інженери виключили ризик потрапляння витків однієї пружини клапана між витками іншої. Для зменшення тертя клапанний механізм конструктивно має вищезгадані ролики (роликовий важіль), які знаходяться на штовхачах і важелів приводу клапанів.