Випускний клапан — елемент ГРМ, при відкритті якого відбувається видалення (випуск) відпрацьованих газів з камери згоряння двигуна.
Випуск газів відбувається тоді, коли поршень в циліндрі двигуна прямує від нижньої мертвої точки (НМТ) до верхньої мертвої точки (ВМТ). В процесі роботи двигуна випускні клапани піддаються значним термічних навантажень, так як постійно контактують з розпеченими відпрацьованими газами. Головка клапана при роботі ДВС може розігріватися в межах 600-800 градусів.
Після закінчення такту впуску і стиснення головною вимогою в момент загоряння палива в камері згоряння є максимальна герметичність. Впускний і випускний клапани закриті. Коли поршень прийняв на себе енергію розширюються газів після загоряння паливно-повітряної суміші, з камери згоряння необхідно видалити ці відпрацьовані гази. Герметизація камери на даному етапі вже не потрібна. За видалення вихлопних газів в конструкції газорозподільного механізму відповідає випускний тарільчасте клапан, який розміщений в голівці блоку циліндрів (ГБЦ).
На такті впуску створюється розрядження, а на такті випуску в робочій камері згоряння двигуна утворюється підвищений тиск. Після згоряння суміші палива і повітря відпрацьовані гази залишають камеру згоряння через що відкривається в потрібний момент випускний клапан. Сила тиску дозволяє газам з легкістю вийти з робочої камери. Цим пояснюється менший розмір тарілки випускного клапана порівняно з тарілкою впускного клапана. На такті впуску розрідження за своєю силою менше тиску на випуску. Вихлопні гази практично виштовхуються назовні через відкритий випускний клапан.
Ефективна герметизація камери згоряння стала можлива завдяки використанню тарілчастих клапанів в конструкції ГРМ сучасних ДВС. Пристрій клапана просте, елемент має тарілку і стрижень. Фаска плавно переходить в стрижень, що робить клапан досить міцним. Конічна форма переходу помітно знижує опір вихлопних газів при виході з камери, а також додатково покращує герметизацію.
Відкриття випускного клапана відбувається завдяки отриманому зусиллю від кулачка розподільного вала. Стрижень (шток) клапана знаходиться в направляючої втулці клапана, яка запресована в ГБЦ. Кулачок распредвала натискає прямо на шток клапана або на рокер, від якого зусилля передається на стержень. У ГБЦ також розміщено сідло клапана. Сідло клапана є поглиблення, яке за своєю формою відповідає верхній частині тарілки клапана. Тарілка клапана і сідло клапана з філігранною точністю туляться один до одного. Дане рішення дозволяє забезпечити максимальну герметичність в той момент, коли закриті впускний і випускний клапани. Головним завданням стає виключити прорив газів з камери згоряння.
На верхній частині стрижня клапана виконана спеціальна виточення. Зазначена виточення є місцем установки «сухаря». Даний «на нуль» представляє собою конічний кільце, яке розрізане на дві рівні частини. Рішення необхідно для кріплення тарілки пружини клапана. Якщо відкриття клапана здійснюється за рахунок «поштовху» від кулачка распредвала, то закриття клапана реалізовано за допомогою зусилля пружини клапана. Зазначена пружина закриває клапан, щільно притискаючи тарілку до сідла. Додатково є механізм, який здійснює проворачивание клапана. Це необхідно для рівномірного зносу клапана і очищення клапана від нагару.
Випускний клапан працює в дуже складних умовах. Відпрацьовані гази викликають сильну корозію випускних клапанів. Якщо паливо згорає в камері в повному обсязі, тоді це може привести до прогару клапана. Регулювання клапанного механізму є важливою процедурою в процесі експлуатації ДВС. Раннє закриття випускного клапана може призвести до швидкого його прогару.
В процесі експлуатації будь-якого ДВС тарілка клапана і сідло покриваються нагаром. Уникнути нагару на клапанах практично не представляється можливим. Наявність нагару викликає постійний перегрів випускного клапана. Рано чи пізно опорна поверхня клапана починає вигоряти, що призводить до втрати герметичності в камері згоряння. Результатом стає прогресуюча втрата потужності ДВС, утруднений пуск і т.д.
З’явилися від перегріву мікротріщини на тарілці клапана поступово збільшуються, так як розпечені гази під тиском починають прориватися назовні з камери згоряння. Головка клапана в таких умовах деформується і далі руйнується. Вихід клапана з ладу фактично означає повну втрату циліндром двигуна своєї функціональності. Після заміни обов’язково потрібно притирання клапана до сідла для максимально точного прилягання. Ігнорування процедури або неякісне виконання притирання клапанів приведе до швидкого виходу нового клапана з ладу.
Цілком очевидно, що перегрів є серйозною проблемою випускних клапанів. Для виготовлення випускного клапана використовується особлива хромонікельмолібденових сталь. Основою є нікель, який підвищує стійкість випускного клапана до механічного руйнування. Сталь для виготовлення клапанів відрізняється високою жароміцних.
Наступним кроком щодо зниження термонагруженности випускного клапана стає його конструкція, яка відрізняється від пристрою впускних клапанів.
Стрижень випускного клапана порожнистий, порожнина заповнена металевим натрієм. Натрій розплавляється і перетікає всередині стрижня клапана, що дозволяє поліпшити теплообмін і рівномірно розподілити нагрів.
Випускний клапан також може мати додатковий захист, яка здатна значно продовжити термін служби елемента. Єдиним недоліком можна вважати кінцеве подорожчання виробництва деталі.
Серед найбільш поширених способів захисту відзначені:
- лазерне легування;
- метод плазменно-порошкової наплавки;
- наплавка струмами високої частоти;
Плазменно-порошкове наплавлення вважається одним з найбільш економічно і практично виправданих рішень. Для такої наплавлення використовують різні металеві порошки, в основі яких лежить кобальт або нікель. Технології нанесення покриття різні, але головним завданням кожного із зазначених способів стає наплавление тонкого шару захисту на поверхню клапана для підвищення зносостійкості, стійкості до появи корозійних процесів і механічного руйнування.