Βαλβίδες

Οι βαλβίδες είναι οι «πύλες» ακριβούς χρονισμού που ρυθμίζουν τη ροή των αερίων από και προς τους κυλίνδρους ενός κινητήρα: ανοίγουν για να εισέλθει το φρέσκο μείγμα αέρα-καυσίμου και να εκδιωχθούν τα καμένα καυσαέρια, και στη συνέχεια σφραγίζουν ερμητικά ώστε η καύση να πραγματοποιηθεί υπό πίεση. Είναι θεμελιώδεις για τον τετράχρονο κύκλο: χωρίς την ακριβή, επαναλήψιμη λειτουργία τους, ο κινητήρας ούτε θα μπορούσε να «αναπνεύσει» το γόμωμα που χρειάζεται ούτε να απαλλαγεί από τα καυσαέρια που διαφορετικά θα τον έπνιγαν. Κάθε κύλινδρος διαθέτει τουλάχιστον μία βαλβίδα εισαγωγής και μία εξαγωγής, και η συμπεριφορά τους καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την απόδοση του κινητήρα.

Η τυπική βαλβίδα τύπου «μανιταριού» (poppet) αποτελείται από κεφαλή με επίπεδη ή κωνική μορφή και μακρύ στέλεχος. Η κεφαλή εδράζεται σε κατεργασμένο δακτύλιο της κυλινδροκεφαλής, σχηματίζοντας αεροστεγή σφράγιση όταν είναι κλειστή. Το άνοιγμα γίνεται από τον εκκεντροφόρο άξονα: τα περιστρεφόμενα έκκεντρα πιέζουν τη βαλβίδα, είτε απευθείας είτε μέσω ωστηρίων και κοκοράκιων, σπρώχνοντάς την προς το εσωτερικό του κυλίνδρου ενάντια στην αντίσταση. Το κλείσιμο το αναλαμβάνει ένα σκληρό ελατήριο, που επαναφέρει τη βαλβίδα σταθερά στην έδρα της μόλις το έκκεντρο απομακρυνθεί. Ο χρονισμός αυτών των γεγονότων είναι αυστηρά συγχρονισμένος με τον στροφαλοφόρο, ώστε οι βαλβίδες να ανοίγουν και να κλείνουν ακριβώς στο σωστό σημείο κάθε κύκλου.

Ο αριθμός, το μέγεθος και ο χρονισμός των βαλβίδων διαμορφώνουν έντονα τον χαρακτήρα ενός κινητήρα. Περισσότερες βαλβίδες ανά κύλινδρο — με τις τέσσερις να αποτελούν τη συνήθη σύγχρονη επιλογή, δύο εισαγωγής και δύο εξαγωγής — προσφέρουν μεγαλύτερη συνολική επιφάνεια ανοίγματος για δεδομένη διάμετρο κυλίνδρου, επιτρέποντας στον κινητήρα να αναπνέει πιο ελεύθερα και να αποδίδει υψηλότερη ισχύ, ιδίως στις υψηλές στροφές. Ο χρονισμός και η διάρκεια για την οποία παραμένουν ανοιχτές καθορίζουν αν ο κινητήρας θα ευνοεί τη ροπή χαμηλά ή την ισχύ ψηλά. Οι μηχανικοί συντονίζουν επομένως προσεκτικά πλήθος, βύθισμα και χρονισμό βαλβίδων, ώστε να ισορροπήσουν επιδόσεις, απόδοση και εκπομπές ανάλογα με τον προορισμό του κινητήρα.

Οι βαλβίδες εξαγωγής, ειδικότερα, αντέχουν εξοντωτικές συνθήκες. Εκτίθενται επανειλημμένα σε καυσαέρια που μπορεί να ξεπερνούν τους 700 με 800 βαθμούς Κελσίου, με περιορισμένες δυνατότητες αποβολής θερμότητας πέρα από τις έδρες και τα στελέχη τους. Κατασκευάζονται από πυράντοχα κράματα, ορισμένες γεμίζονται με νάτριο για να απάγουν θερμότητα από την κεφαλή, ή εφοδιάζονται με σκληρυμένες έδρες και τσιμούχες στελέχους. Οι βαλβίδες εισαγωγής λειτουργούν ψυχρότερα, βοηθούμενες από το εισερχόμενο γόμωμα, αλλά όλες πρέπει να σφραγίζουν με ακρίβεια χιλιάδες φορές το λεπτό σε ολόκληρη τη ζωή του κινητήρα.

Από αυτό το απαιτητικό καθήκον προκύπτουν και πρακτικές συνέπειες. Τα διάκενα των βαλβίδων πρέπει να είναι σωστά ρυθμισμένα — πολύ σφιχτά και η βαλβίδα μπορεί να μην εδράζεται πλήρως και να «καεί», πολύ χαλαρά και ο μηχανισμός γίνεται θορυβώδης και φθείρεται — γι' αυτό πολλοί κινητήρες χρησιμοποιούν υδραυλικά ωστήρια που διατηρούν το διάκενο αυτόματα. Επικαθίσεις άνθρακα, φθορά των εδρών και εξασθενημένα ελατήρια υποβαθμίζουν με τον καιρό τη σφράγιση. Οι βαλβίδες συνεργάζονται στενά με τον εκκεντροφόρο, ενώ τα σύγχρονα συστήματα μεταβλητού χρονισμού και οι πολυβάλβιδες σχεδιάσεις χτίζουν απευθείας πάνω στη βασική αρχή τους, αποσπώντας ολοένα μεγαλύτερη απόδοση και ελαστικότητα από τον κινητήρα.