Клапаны, перекрывающие впускные и выпускные отверстия цилиндров, называются соответственно впускными ивыпускными. Каждый цилиндр четырехтактного двигателя должен иметь, как минимум, два клапана: один впускной и один выпускной. Если цилиндры снабжены тремя или как в дизеле В-2 четырьмя клапа­нами, то два из них управляют впуском.

В зависимости от расположения клапанов относительно цилиндра различают нижнеклапанные, верхнеклапанные исмешанныемеха­низмы  газораспределения.

Нижнеклапанное газораспределение является самым простым из клапанных механизмов. Оно характеризуется тем, что впускные и выпускные клапаны расположены сбоку цилиндра, поэтому эти механизмы называют механизмами с боковым расположением кла­панов.

Рассмотрим устройство и принцип работы нижнеклапанного механизма на примере 6-цилиндрового двигателя ГАЗ-51 (рис. 1, а). Клапаны 8 и 9, имеющие грибовидную форму (головку со стержнем), нагружены клапанными пружинами 11, которые закрепляются на стержнях с помощью тарельчатой шайбы 3 и сухарей 4. В резуль­тате действия этих пружин клапаны плотно перекрывают впускное и выпускное отверстия цилиндра. Под стержнями клапанов уста­новлены толкатели 16, опирающиеся своей тарельчатой частью на распределительный вал 14. Распределительный или кулачковый вал, имеющий 12 кулачков (по числу клапанов), при помощи шесте­рен привода получает вращение от коленчатого вала двигателя, вследствие чего кулачки набегают на толкатели и поднимают их вместе с клапанами. В рассматриваемом случае кулачок 15 откры­вает впускной клапан 8 и надпоршневая полость цилиндра соеди­няется с впускным каналом 6. Далее при вращении кулачкового вала 14 клапанная пружина 11 опускает клапан на седло 20. Так кулачки вала со строго заданной последовательностью откры­вают, а пружины закрывают перемещающиеся в своих направляю­щих втулках 19 впускные и выпускные клапаны, обеспечивая смену рабочего тела в цилиндрах.

Рис. 1 - Механизмы газораспределения:

а) с нижним расположением клапанов: 1— ниша для сбора масла: 2 — полость коробки клапанов: 3 — шайба опорная (тарельчатая); 4 — сухарики; 5 — блок цилиндров; в—впускной канал; 7—головка цилиндров: 8,9 — впускной и выпускной клапаны; 10 20 — гнезда (седла) клапанов; 11— пружина; 12 — контргайка: 13 — проточка на стержне толкателя; 14 — распределительный вал; 15 — кулачки; 16 — толкатели; 17 — болт регулировочный: 18 — головка болта; 19 — направляющие втулки;

б) с верх­ним расположением клапанов: 1- кулачок; 2 - картер; 3 - толкатель; 4 - штанга; 5 — стойка крепления валика коромысел; 6 — коромысло; 7 — валик коромысел: 8 - регулировочный болт; 9 - контргайка; 10 - наконечник стержня клапана; 11-тарелка пружин; 12 - сухарики; 13 – наружная пружина; 14- внутренняя пружина клапана- 15 - опорная шайба; 16 - направляющая втулка; 17 - клапан; 18 - седло клапана; 19 - головка цилиндра;

в) со смешанным расположением клапанов: 1- впуск­ной клапан; 2 и 7 — направляющая втулка; 3 и 8 — пружина; 4 — коромысло; 5 — штан­га  6— выпускной клапан; 9 — толкатель;  10 — распределительный вал

Чтобы повысить плотность прилегания клапанов к сёдлам перекрываемых ими отверстий впуска и выпуска, клапаны и сёдла выполняются с конусными фасками. С этой же целью между толкателем и стержнем клапана помещают регулировочный болт 17 с контргайкой 12, доступ к которым осуществляется через полость 2. Регулировочный болт ввертывают в тело толкателя так, чтобы обеспечить гарантированный зазор между его головкой 18 и стержнем клапана в рабочем (горячем) состоянии и надежно фиксируют гайкой 12. Благодаря этому усилие пружины 11 полностью передается на уплотнительную фаску клапана как в холодном так и в горячем состоянии деталей механизма газораспределения и остова двигателя.                                                   

Нижнеклапанному газораспределению присущи не только простота механизма и повышенная жесткость конструкции, но и срав­нительно небольшой шум работы, что очень важно для автомо­бильного двигателя. Однако такая конструкция ограничивает воз­ сжатия, не превышающих 7,5 единиц. Кроме того, камеры сгора­ния, применяемые для нижнеклапанных двигателей, имеют отно­сительно большие поверхности охлаждения, через которые непроиз­водительно теряется часть тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Потеря этого тепла ухудшает экономичность двигателя.

Верхнеклапанное газораспределение размещается одновременно в блоке и в головке цилиндров (рис. 1, б). Клапаны 17 располо­жены (подвешены) над цилиндром, поэтому такие механизмы назы­вают иногда механизмами с подвесными клапанами. Принцип их работы не отличается от рассмотренных выше нижнеклапанных, но конструкцию они имеют более сложную. Открытие клапанов обеспечивается при этом следующими дополнительными деталями: коромыслом 6, шарнирно посаженным на ось 7, закрепленную в стойках (кронштейнах) 5, и толкающей штангой 4, передающей усилия от толкателя 3 к коромыслу 6.

Применение верхнеклапанных механизмов приводит к увеличе­нию высоты двигателя и заметно снижает общую жесткость системы. Тем не менее автомобильные карбюраторные двигатели в настоящее время строят верхнеклапанными (дизели вообще имеют только верхнеклапанное газораспределение). Верхнеклапанное газорас­пределение снимает ограничения по степени сжатия и уменьшает гидравлическое сопротивление на впуске. Это улучшает на 7—8% наполнение цилиндров и позволяет более рационально компоновать камеры сгорания, повышая этим общее использование тепла в ци­линдрах.

Снижение жесткости механизма наблюдается при работе двига­теля с большим числом оборотов коленчатого вала вследствие деформации штанг и других деталей. Как результат этого, закон подъема клапанов, т. е. зависимость высоты их подъема от угла поворота кулачков, нарушается и на некоторых участках не соот­ветствует профилю кулачков распределительного вала, который подбирается из условий наивыгоднейшего наполнения. Опыты пока­зывают, что деформация деталей механизма приводит к ухудшению мощностных и экономических показателей двигателя. Для устра­нения этого явления в современных быстроходных двигателях рас­пределительный вал устанавливают на головке блока, что значи­тельно упрощает кинематическую связь между его кулачками п клапанами. Двигатели такого типа обычно называются двигате­лями с верхним расположением распределительного вала.К ним относятся двигатель отечественного производства МЗМА-412 и ряд современных зарубежных двигателей: БМВ-2000 (ФРГ), Форд-427 и Понтиак-216 (США), Фергюсон (Англия).

Конструкции различных механизмов газораспределения с верхним распределительным валом показаны на рис. 2.

Рис. 2 - Механизмы газораспределения с верхним расположением кулачко­вого вала:

а) с непосредственным воздействием кулачков на клапаны (дизель В-2); б) устройство для регулирования зазора в клапанном механизме (дизель В-2); в) передачей усилий от кулачков на клапаны через коромысла (двигатель Форд-427); г) с передачей усилий через промежуточный рычаг (двигатель Понтиак-216)

На рис. 2, а представлено газораспределение V-образного дизеля В-2 с непосредственным воздействием кулачков распреде­лительных валов на клапаны. Этот способ привода весьма эффек­тивен, но имеет следующие недостатки: создает большое боковое усилие, передающееся на стержень клапана в процессе его подъема, отличается сложностью регулировки зазоров между клапанами и распределительным валом. Возникающие при этом боковые уси­лия приводят к изгибу стержня клапана и увеличению его износа.

На практике износ стержней уменьшают двумя способами: исполь­зуют утолщенные стержни клапанов или освобождают их от вос­приятия боковых усилий. Так, в дизеле В-2 стержни клапанов имеют толщину 18 мм, что примерно вдвое превышает обычные размеры стержней клапанов, применяемых в автомобильных дви­гателях. Поэтому в двигателях автомобильного типа чаще прибе­гают к разгрузке стержней путем передачи силы, возникающей от действия кулачков (иногда и от коромысел), на специальные стаканы, накрывающие стержни и пружины клапанов и переме­щающиеся в своих направляющих гнездах.

Регулировка клапанов в дизеле В-2 производится с помощью устройства, показанного на рис. 2, б, состоящего из опорной тарелки 2 с резьбовой частью, ввернутой в стержень 1 клапана и замочной шлицевой шайбы 3, которая одевается на шлицованный конец стержня клапана и прижимается к тарелке 2 клапанной пружиной. На соприкасающихся горцах замочной шайбы и тарелки клапана имеются пояски радиальных треугольных шлиц, фикси­рующих тарелку в заданном положении относительно стержня. На рис. 2, в, г показаны механизмы, в которых усилия от кулач­ков распределительного вала передаются стержням клапанов через коромысла и промежуточные рычаги. Коромысла используются довольно часто, но они тоже полностью не разгружают стержни клапанов от воздействия боковых сил. Однако величина их всегда бывает меньше, чем в рассмотренном механизме дизеля В-2. С этой точки зрения более практична конструкция механизма, применяе­мая на двигателе Понтиак-216 (см. рис. 2, г), где боковые усилия на стержень клапана вообще не передаются, а воспринимаются штоком специального гидравлического устройства, на которое опирается промежуточный рычаг. Наличие гидравлической опоры у рычага обеспечивает постоянный контакт его с кулачком распре­делительного вала и исключает тем самым необходимость регу­лировки зазоров в процессе эксплуатации.

При смешанном расположении клапанов(см. рис. 1, в) в голов­ке цилиндра устанавливают впускные клапаны, а в блоке — выпуск­ные. Благодаря этому удается несколько упростить общую кон­струкцию механизма и одновременно использовать преимущества верхнеклапанного газораспределения.

Однако перспективным клапанным газораспределением является не смешанное, а верхнеклапанное с кулачковым валом, располо­женным на головке цилиндра (см. рис. 2). Такое газораспределение обеспечивает падежную работу клапанного механизма и в совре­менных быстроходных двигателях.

Источник: Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания, 1971 г