Клапани

Клапаните са прецизно синхронизираните врати, които управляват потока газове към и от цилиндрите на двигателя, като се отварят, за да пропуснат свежата горивно-въздушна смес и да изхвърлят отработените газове, а след това се затварят плътно, за да може горенето да протече под налягане. Те са от основно значение за четиритактовия цикъл: без тяхната точна и повторяема работа двигателят не би могъл нито да поеме нужния му заряд, нито да отведе изгорелите газове, които иначе биха го задушили. Всеки цилиндър има поне един впускателен и един изпускателен клапан, а тяхното поведение е централно за това как се представя двигателят.

Типичният тарелков клапан е елемент с форма на гъба с плоска или конична глава и дълго стъбло. Главата му ляга срещу обработен пръстен в главата на цилиндъра, за да образува газонепроницаемо уплътнение в затворено положение. Отварянето се задвижва от разпределителния вал: въртящите се гърбици натискат клапана, директно или чрез повдигачи, кобилици и тласкачи, и го изтласкват надолу в цилиндъра, преодолявайки съпротивлението. Затварянето се осъществява от твърда клапанна пружина, която връща клапана плътно на седлото му в мига, в който гърбицата се завърти настрани. Времето на тези събития е прецизно синхронизирано с коляновия вал, така че клапаните се отварят и затварят точно в нужния момент от всеки цикъл.

Броят, размерът и фазите на клапаните силно определят характера на двигателя. Повече клапани на цилиндър — четири са разпространеният съвременен избор, с два впускателни и два изпускателни — осигуряват по-голяма обща площ на отваряне при даден диаметър на цилиндъра, което позволява на двигателя да диша по-свободно и да развива по-висока мощност, особено при високи обороти. Тяхното синхронизиране и продължителността, през която остават отворени, определят дали двигателят клони към въртящ момент в ниските обороти или към мощност в горната част на диапазона. Затова инженерите внимателно настройват броя, повдигането и фазите на клапаните, за да балансират представяне, ефективност и емисии според предназначението на двигателя.

Изпускателните клапани в частност понасят свирепи условия. Те многократно са изложени на изгорели газове, които могат да надхвърлят 700 до 800 градуса по Целзий, при сравнително малка възможност да отведат топлината освен през седлата и стъблата си. Изработват се от топлоустойчиви сплави, а някои се пълнят с натрий, за да отвеждат топлината от главата, или се снабдяват със закалени седла и уплътнения на стъблото. Впускателните клапани работят по-хладно, подпомагани от постъпващия заряд, но всички клапани трябва да уплътняват прецизно хиляди пъти в минута през целия живот на двигателя.

От това натоварено предназначение произтичат практически съображения. Хлабините на клапаните трябва да са правилни — твърде малки и клапанът може да не легне и да изгори, твърде големи и газоразпределителният механизъм става шумен и износен — затова много двигатели използват хидравлични компенсатори, които поддържат хлабината автоматично. Нагарът, поддаването на седлата и отслабването на пружините могат да влошат уплътняването с времето. Клапаните работят в тясна връзка с разпределителния вал, а съвременните системи за променливо газоразпределение и многоклапанните конструкции стъпват директно върху основния им принцип, за да извлекат все повече ефективност и гъвкавост от двигателя.