Клапаны, перекрывающие впускные и выпускные отверстия цилиндров двигателя, имеют ограниченные размеры и работают в тяжелых условиях: большие динамические нагрузки и высокие скорости перемещения в направляющих втулках при ограниченной смазке, сложность теплоотвода и неравномерный нагрев отдельных участков продуктами сгорания, обладающими повышенной коррозийной агрессивностью. Поэтому принятые материалы и конструкцияотдельных элементов клапана должны обеспечивать ему высокую прочность,  износостойкость, стойкость против коробления корродирования.

Клапаны поршневых двигателей состоят из головки 2 и стерж­ня 3 (рис. 1). Различают клапаны с плоской 2, выпуклой 7 и тюльпанообразной 8 головками. Головки обычно имеют небольшой (около 2 мм) цилиндрический поясок и уплотнительную фаску» снятую под углом 45 или 30°. Фаска с углом 30° применяется только для впускных клапанов, а угол 45° используется как для впускных, так и выпускных клапанов. Цилиндрический поясок позволяет сохранять основной размер клапана (d_k) в случае перешлифовки уплотняющей фаски при ремонтах, увеличивает жесткость его головки и предохраняет ее кромки от разрушения. Клапаны, оставшиеся без цилиндрического пояска, легко обгорают и стано­вятся непригодными для работы.

Рис. 1 -  Клапаны, направляющие втулки и седла клапанов

Чтобы улучшить теплоотвод и увеличить жесткость клапана поверхность его головки со стороны стержня выполняют наклонной с углом подъема 10-30°  и плавным переходом к стержню (см. рис. 1). Для впускных клапанов угол выбирают около 10-15°, у  выпускных он ближе к 20—30°.

Клапаны изготовляют из пруткового материала на горизонтально-ковочных машинах и тщательно обрабатывают. Уплотнительные фаски клапанов шлифуют и притирают к сёдлам, а стержни подвергают термообработке, шлифовке и полировке. В некоторых моделях ГАЗ, ЗИЛ и других двигателей стержни клапанов покры­вают пористым хромом. Торцы стержней, соударяющиеся с коро­мыслами (регулировочными болтами в нижнеклапанных механиз­мах), на длине 3—5 мм закаливают до высокой твердости (двига­тели ГАЗ, ЗИЛ и др.). Иногда их наплавляют твердыми сплавами или снабжают специальными легкосъемными стальными термообработанными наконечниками — колпачками, обладающими высо­кой износостойкостью (двигатель МЗМА-408).

На концах стержней клапанов в зависимости от принятого спо­соба крепления клапанных пружин делают цилиндрические, конус­ные или фасонные проточки (см. рис. 1). Иногда в стержнях делают отверстия под чеку (ЗИЛ-5 и 120), а в дизеле В-2 стержни клапанов имеют осевое сверление с нарезкой и продольные шлицы с наруж­ной стороны.

В автомобильных двигателях распространение получили кла­паны (как впускные, так и выпускные) с плоской головкой и углом фаски 45°, причем с целью улучшения наполнения цилиндров головку впускного клапана делают больше головки выпускного. Отношение их диаметров в существующих конструкциях изменяется в пределах 1,1-1,3.

Для впускных клапанов применяют также тюльпанообразные головки (см. рис. 1, позиция 8). По сравнению с плоскими голов­ками они имеют лучшую обтекаемость со стороны входа потока и несколько улучшают процесс вихреобразования в цилиндре. Объясняется это тем, что за клапаном возникает движение потока воздуха, повторяющее геометрическую форму впадины в его головке.

Головка впускных клапанов во время работы периодически омывается сравнительно холодным потоком, но все-таки нагревается до температуры 300—400°С. Однако для впускных клапанов, изготовляемых обычно из хромистых 40Х, хромоникелевых 40ХН и аналогичных им сталей, это не представляет опасности. Поэтому головки их выполняют иногда с углом фаски 30° (например, в дви­гателях ЗИЛ-130 и др.). Такая фаска хотя и снижает общую жест­кость клапана, но обеспечивает большую величину площади его проходного отверстия при заданной высоте подъема.

Выпускные клапаны работают в условиях более тяжелых, чем впускные, так как периодически омываются горячим потоком отработавших газов, содержащих сернистые и другие агрессивные компоненты. В карбюраторных двигателях они нагреваются до 700÷900°С (до темно-вишневого цвета), а в дизелях имеют обычно несколько меньшую температуру нагрева, но достаточную для того, чтобы заметно снизить прочность материала и вызвать опасность повышенного корродирования, коробления или обгорания кромок головки. Поэтому головку выпускных клапанов изготовляют из кремнехромистых, кремнехромоникелевых и других высоколе­гированных жаростойких и коррозионно-стойких сталей (напри­мер: 4Х9С2, Х12Н7С, 2Х18Н9 и т.д.), а стержни из хромистой или хромоникелевой сталей, обладающих хорошей износостойко­стью. Клапаны, изготовленные из двух таких материалов путем метода стыковой сварки, отличаются высокой жаростойкостью, хорошей износостойкостью и не вызывают излишнего удорожания производства.

Выпускные клапаны часто делают с выпуклой головкой (см. рис. 1, позиция 7), что улучшает их обтекаемость со стороны цилиндра, а также увеличивает общую прочность и жесткость конструкции.

Чтобы уменьшить тепловую напряженность выпускных клапа­нов в ряде двигателей (особенно форсированных), применяют нат­риевое охлаждение. С этой целью клапан делают полым с утолщен­ным стержнем (см. рис. 1, позиция 9) и примерно наполовину полости заполняют металлическим натрием, температура плавле­ния которого составляет около 100° С. В рабочем (горячем) состоя­нии двигателя натрий, будучи в расплавленном виде и переме­щаясь внутри полости при возвратно-поступательном движении клапана, увеличивает интенсивность отвода тепла от горячей головки к более холодному стержню и далее к направляющей втул­ке. Благодаря этому, а также затрате тепла на испарение натрия нагревание головки клапана уменьшается на 100—200°С.

Натриевое охлаждение применяется, в частности, для выпуск­ных клапанов V-образных двигателей ЗМЗ-66 и ЗИЛ-130. Полость в стержне 1 заполнена в них натрием 11 и заделана накладкой 13, как показано на рис. 2, а. На уплотнительные фаски выпускных клапанов этих двигателей наплавляют слой 12 особо твердого, износостойкого и антикоррозионного сплава.

Рис. 2 - Впускной клапан двигателя ЗИЛ-130 с механизмом вращения

Метод наплавки фасок у выпускных клапанов вообще широко применяется в современном автомобильном двигателестроении. Для этих целей используются сплавы типа стеллита с кобальтовой основой и содержанием хрома и вольфрама. Наплавка имеет обычно толщину около 2 мм и позволяет значительно дольше сохранять удовлетворительную герметичность закрытия выпускных отверстий цилиндров.

Для поддержания в рабочем состоянии контактных поверхно­стей уплотнительных фасок выпускных клапанов иногда приме­няют специальные устройства, позволяющие принудительно про­ворачивать клапаны в процессе работы. В качестве примера на рис. 2 показано устройство, применяемое на двигателе ЗИЛ-130.

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