Zadaniem zaworów jest szczelne zamykanie kanałów ssących i wy­dechowych oraz otwieranie ich. Zamykanie i otwieranie kanałów ssą­cych i wydechowych musi odbywać się w ściśle określonych momen­tach. Ten cykl pracy (otwarcie i zamknięcie) trwa bardzo krótko, np. ck. 0,01 s przy 3000 obr/min wału korbowego. W związku z tym ciężar zaworu powinien być jak najmniejszy. Grzybek zaworu opływają z dużą prędkością spaliny o temperaturze przekraczającej 1000°C; jest on również statycznie obciążony ciśnie­niem gazów podczas roboczego suwu tłoka i siłą oddziaływania sprę­żyny (50 kG i więcej). Oprócz tego zawór obciążony jest siłami dyna­micznymi wskutek obciążeń mechanicznych. Trzonek zaworu obcią­żony jest na zginanie naciskiem ramienia dźwigni popychacza. Grzy­bek zaworu wydechowego poddany jest nie tylko działaniu wysokiej temperatury, lecz również korozyjnemu oddziaływaniu produktów spalania. Wszystko to świadczy o wyjątkowo trudnych warunkach, w jakich pracują zawory. Zawory ssące, które są stale omywane strumieniem chłodnej mie­szanki, są znacznie mniej obciążone niż zawory wydechowe. Zawory wydechowe podczas pracy nagrzewają się w silnikach samochodów ciężarowych do ok. 850°C, a w silnikach samochodów osobowych do ok. 650°C. Rozkład temperatur wzdłuż zaworu podczas pełnego obcią­żenia silnika pokazano przykładowo na rysunku 3.8. Wymagania stawiane grzybkom zaworów są pod wieloma względami przeciwstawne. Z jednej strony grzybek zaworu musi być dostatecznie gruby, aby wytrzymał obciążenia mechaniczne i nie ulegał odkształ­ceniom w wysokiej temperaturze, z drugiej zaś strony grzybek po­winien być podatny odkształceniom, aby mógł dopasować się do nie­znacznie odkształconego gniazda. Im większy jest grzybek zaworu, tym mniejszy jest opór przepływu gazów. Krawędź grzybka powinna być dostatecznie duża, aby ciepło mogło łatwo przenikać z zaworu do gniazda, a z drugiej strony zawór musi być dostatecznie lekki, aby swą masą nie zwiększał sił bezwładności mechanizmu napędu zawo­rów. W konsekwencji wymiar grzybka (rys. 3.9) określany jest w zależ­ności od średnicy kanału ssącego lub wydechowego, przy czym grzy­bek zaworu wydechowego ma mniejszą średnicę niż grzybek zaworu ssącego. Zewnętrzną średnicę grzybka zaworu D dobiera się do we­wnętrznej średnicy gniazda d według zależności D 1,25 d. We­wnętrzna średnica grzybka Di powinna być mniejsza o 0,5 do 1,0 mm od średnicy gniazda d. Wysokość c grzybka dobierana jest w zależ­ności od zewnętrznej średnicy D następująco: zawory ssące e = 0,06 D + l mm, zawory wydechowe c = 0,075 D + 2 mm. W niektórych zaworach grzybki mają wgłębienia ż, w które wkła­da się końcowe przyrządu do docierania grzybka z gniazdem. Wgłębie­nia te są z wielu względów niekorzystne i dlatego grzybki zaworów w nowoczesnych silnikach wgłębień tych nie mają. Dzięki bardzo do­kładnej obróbce współpracujących części docieranie nie jest potrzebne. Kąt wierzchołkowy op grzybka zaworu najczęściej równy jest 90°. Taki kąt najlepiej ułatwia środkowanie zaworu i wzajemne dopasowa­nie się grzybka do gniazda podczas pracy. W zaworach ssących nie­kiedy stosuje się kąt op=120°, ze względu na większą powierzchnię przepływu. Jednak zwiększony kąt wierzchołkowy nie jest korzystny ze względu na większą możliwość odchylenia osi powierzchni uszczel­niającej od osi trzonka zarówno podczas produkcji, jak i podczas eksploatacji. Z uwagi na znaczne obciążenie stożkowej powierzchni uszczelniają­cej grzybka, w bardziej obciążonych silnikach na powierzchnie te w zaworach wydechowych napawa się twardy stop, odporny na dzia­łanie korozji. Grzybki zaworów ssących mogą mieć hartowaną po­wierzchnię uszczelniającą. Niekiedy zewnętrzne powierzchnie grzyb­ków zaworów wydechowych pokrywa się niekorodującym materiałem żaroodpornym. Niektóre wytwórnie, zwłaszcza USA, jako ochronę przeciwkorozyjną grzybków stosują pokrywanie ich cienką warstwą aluminium. Przejście od grzybka do dość cienkiego trzonka zaworu musi być dostatecznie „łagodne", aby nie powstawała w tym miejscu koncen­tracja naprężeń. Istotny jest również kształt kanału, przez który prze­pływają gazy spalinowe lub mieszanka. Od średnicy zewnętrznej grzy­bek zwęża się stożkowo pod kątem, który wynosi zwykle w zaworach ssących od 10 do 20°, a w zaworach wydechowych od 15 do 25° lub nawet więcej. W miejscu przejścia grzybka w trzonek jest największe niebezpie­czeństwo urwania zaworu wydechowego. Wynika to z faktu, że w tym miejscu zawór jest najbardziej obciążony mechanicznie i w tym miej­scu zwykle jest najwyższa temperatura. Dlatego też miejsce przejścia grzybka w trzonek musi być gładkie i bez karbów. Część ta w za­worach produkowanych masowo jest formowana podczas odkuwania grzybka i nie jest dalej obrabiana. W razie konieczności obróbki przejścia trzeba zastosować bardzo mały przekrój warstwy skrawanej. Po obróbce skrawaniem stosuje się jeszcze polerowanie, aby dokładnie wygładzić powierzchnię. Nawet nieznaczna nieosiowość trzonka lub prowadzenia zaworu w stosunku do osi gniazda może zwiększyć obciążenie niebezpiecznego przekroju trzonka. W związku z tym zwykle dopuszcza się niewspół-osiowość trzonka zaworu względem grzybka nie większą niż 0,05 mm dla małych zaworów i 0,06 mm dla dużych zaworów. Średnicę trzon­ka s dobiera się w zależności od średnicy grzybka D. Zwykle s = = (0,20-7-0,28) D. Ze względu na odmienne warunki pracy trzonek zaworu wydecho­wego powinien być grubszy niż trzonek zaworu ssącego. W praktyce jednak trzonki obu zaworów wykonuje się o takiej samej średnicy. W przypadku zastosowania na zawory miękkiej stali austenitycznej trzonek pokrywa się twardym chromem, aby zwiększyć jego trwałość i zapobiec zatarciu trzonka w prowadnicy. Stosowane są warstwy chromu o grubości od 0,03 do 0,05 mm. W przypadku zastosowania stali hartującej się większą odporność na zużycie i zatarcie się w prowad­nicy można Uzyskać przez hartowanie trzonka. Długi trzonek zaworu jest korzystny ze względu na lepsze chło­dzenie i prowadzenie zaworu. Wydłużenie trzonka zwiększa jednak ciężar zaworu, a wskutek tego i wielkość mas drgających napędu roz­rządu. Jednocześnie długie trzonki zaworów zwiększają wysokość sil­nika. Konstruktor musi więc zwykle wybierać rozwiązanie będące kompromisem.' Trzonek zaworu ma przeważnie jednakową średnicę na całej dłu­gości. W niektórych silnikach trzonki zaworów są nieco stożkowe. Jest to różnica rzędu kilku setnych części milimetra, przy czym śred­nica trzonka zmniejsza się w kie­runku grzybka. Dzięki temu wy­równana zostaje różnica wzrostu średnicy trzonka wskutek rozsze­rzalności cieplnej. Gdy silnik jest rozgrzany, wówczas luz w pro­wadnicy zaworu jest jednakowy na całej długości trzonka. Na końcu trzonka mocowana jest miseczka sprężyny zaworu. W starszych konstrukcjach stoso­wano mały klin przechodzący przez poprzeczny otwór w trzon­ku. Późniejszym rozwiązaniem było zastosowanie przeciętej pod­kładki (rys. 3.10a). Obecnie po­wszechnie stosowane są stożkowe tuleje dwudzielne (rys. 3.10b). Kąt wierzchołkowy stożka tulei wyno­si zwykle od 15 do 30°. Szyjka trzonka zaokrąglona jest zwykle od strony końca promie­niem 1 mm, a od strony grzybka promieniem do 15 mm. Obrabiana powierzchnia trzonka powinna być bardzo gładka, bez widocznych rys i śladów narzędzia. Rysy powstałe podczas obróbki mogą oddziaływać jak karby. Mniejsze osłabienie trzonka można uzyskać przez zastąpie­nie szyjki dwoma małymi rowkami. Stopka trzonka zaworu powinna być dość obficie smarowana, aby zmniejszyć tarcie końca dźwigni o trzonek. Nadmiar oleju ścieka jed­nak po trzonku przez luz między połówkami tulei i smaruje nad­miernie trzonek zaworu w prowadnicy. Aby temu zapobiec, stosuje się uszczelnienia z gumy olejoodpornej (patrz p. 10 na rys. 3.1). Na stopkę trzonka działa popychacz lub dźwignia, w związku z czym zużywa się ona i rozklepuje. Podczas demontażu mogłaby powstać trudność przeciągnięcia trzonka przez prowadnicę. Dlatego też stopki trzonków fazuje się pod kątem 45°. W celu zmniejszenia zużycia czoła trzonka jego stopka jest zwykle obrabiana cieplnie. Odległość czoła trzonka od początku szyjki musi być dostatecznie duża, aby zahartowanie nie objęło odsądzenia, gdyż wówczas szyjka mogłaby pęknąć, W przypadku zaworów wykonanych ze stali austenitycznej na stop­kę trzonka napawa się zwykle warstwę twardego stopu. Niekiedy na stopkę trzonka nakładane są utwardzane i hartowane czapeczki, które można wymieniać w przypadku zużycia. W niektórych silnikach zawory mają pod szyjką rowek, w którym umieszcza się pierścień zabezpieczający z drutu sprężynowego o śred­nicy ok. 1 mm. Pierścień ten zabezpiecza zawór przed wpadnięciem do cylindra w przypadku pęknięcia sprężyny lub trzonka w szyjce. W silnikach samochodów sportowych i wyczynowych stosuje się zawory o tzw. kształcie tulipanowym (rys. 3.11). Oprócz mniejszego ciężaru odznaczają się one większą sprężystością grzybka, którego przylgnia dopasowuje się do niewielkich odkształceń gniazda. Wadą ich natomiast jest wyższy koszt wykonania i większa powierzchnia narażona na działanie spalin, a w związku z tym wyższa temperatura grzybka. Dlatego też zwykle o kształcie tulipanowym wykonuje się zawory ssące. W silnikach bardzo silnie obciążonych stosuje się drążone zawory wypełnione sodem metalicznym. Sód wypełnia wnętrze trzonka lub grzybka zaworu. Podczas pracy silnika znajduje się on w stanie cie­kłym i pośredniczy w przenoszeniu ciepła z najgorętszych części za­woru do części chłodzonej, skąd ciepło jest odprowadzane przez pro­wadnicę do cieczy chłodzącej lub powietrza. Wskutek szybkich ruchów zaworu ciekły sód jest silnie wstrząsany i przemieszcza się z miejsc grzanych do chłodzonych i odwrotnie, dzięki czemu tempera­tury wyrównują się. Punkt topnienia sodu wynosi 97°C. Zapewnia to prawidłowe chło­dzenie zaworów nawet przy niewielkim obciążeniu silnika. Natomiast przy bardzo silnym obciążeniu silnika nie ma niebezpieczeństwa roz­sadzenia trzonka zaworu, gdyż sód odznacza się wysoką temperaturą wrzenia i dość małą prężnością par. Oprócz tego sód jest lekki i ma dobre przewodnictwo cieplne. Wydrążoną część zaworu wypełnia się sodem tylko w 60%, nato­miast pozostała objętość musi być wy­pełniona gazem. Powietrze musi być całkowicie usunięte, aby tlen nie reago­wał z sodem. Istnieją różne metody wykonywania zbiorników sodu we wnętrzu zaworów, zależne od wymaganej intensywności chłodzenia. W trzonku zaworu może być wywiercony otwór z częściowym wy­braniem w grzybku (rys. 3.12b) lub tylko otwór (rys. 3.12a) bez wybrania w grzybku. Zawory z odkuwaną prze­strzenią napełnianą sodem (duże wy­branie w grzybku) i napełniane sodem od strony trzonka są bardzo praco­chłonne i w związku z tym stosowane tylko w silnikach samochodów wyści­gowych. Częstą przyczyną uszkodzeń zaworów wydechowych i ich gniazd jest wnika­nie zanieczyszczeń między przylgnie grzybka a gniazdo. Na podstawie do­świadczeń stwierdzono, że jeśli podczas pracy silnika zawór obraca się, to wsku­tek wzajemnego przesuwania się po­wierzchni uszczelniającej grzybka i gniazda następuje samooczyszcze­nie się obu powierzchni. W związku z tym liczne wytwórnie silników zaczęły stosować różne urządzenia ułatwiające ruch obrotowy zawo­rów. Urządzenia takie są stosowane w seryjnej produkcji silników i dają dobre rezultaty. Jedno z bardziej znanych urządzeń do silników dolno- i górnozawo-rowych zastosowała firma EATON pod nazwą „Free valve" (wolny zawór). Zasada tego urządzenia polega na odciążeniu zaworu podczas ruchu, dzięki czemu może się on swobodnie obracać. Inne urządzenia zastosowano w silnikach samochodów VOLKSWA­GEN. Ruch obrotowy zaworu jest wywołany przez przesunięcie środka dźwigni zaworu w stosunku do osi zaworu (rys. 3.13). Śruba reguła- cyjna dźwigni, która jest na końcu zaokrąglona promieniem r, naciska na czoło stopki zaworu w miejscu przesuniętym o e äs 2 mm od osi trzonka, równolegle do osi wałka dźwigni. Podczas otwierania zaworu śruba regulacyjna porusza się po łuku o promieniu R, a zatem punkt styku w końcu skoku zaworu przesunie się o odległość s. W związku z tym podczas całkowitego skoku zawór powinien obrócić się o kąt określony równaniem: s tga = — e Ze względu na momenty tarcia, wywołane działaniem sprężyny, w praktyce kąt obrotu zaworu jest mniejszy. W celu zmniejszenia momentów tarcia stożek dzielony ma niewielki luz l wokół trzonka zaworu. Omawiane urządzenia wprawdzie ułatwiają obracanie się zaworów, nie zapewniają jednak tego w sposób całkowicie pewny. Rozwiązanie z wymuszonymi obrotami zaworów wprowadziła firma THOMSON pod nazwą „Rotocap" (rys. 3.14). Urządzenie wymuszające składa się ze stożkowatego pierścienia sprę­żystego, który jest umieszczony pod miseczką 2, i pierścienia nośnego 3, umocowanego na trzonku za pomocą bezpiecznika 4. Pierścień 1 jest tak dobrany, aby przy zamkniętym zaworze spoczywał swym we­wnętrznym obwodem na pierścieniu nośnym 3 w punkcie B, a swym obwodem zewnętrznym opierał się o miseczkę sprężyny 2 w punkcie A. Pierścień nośny 3 ma na dolnej krawędzi kilka rowków, w których są umieszczone kulki 5, dociskane sprężynami 6 do końców rowków. Kulki nie naciskają na pierścień sprężysty 1, gdy zawór jest w spo­czynku. Podczas otwierania się zaworu sprężyna jest ściskana, a wy­wołane przez nią obciążenie wzrasta i oddziałuje na pierścień spręży­sty. Pod wpływem działania sprężyny pierścień wygina się, opierając się o kulki 5 w punkcie C, i odchyla się od pierścienia nośnego w punkcie B. Pod wpływem poziomej składowej siły wywołanej na­ciskiem pierścienia 1 kulki przetaczają się w najniższe położenie, gdyż rowki mają skośne dno. Wskutek przetoczenia się kulek wzglę- dem pierścienia 1 obróci się pierścień 3, a wraz z nim i zawór. W ten sposób zawór obróci się również względem gniazda. Zanknięcie zaworu powoduje zmniejszenie siły działania sprężyny wewnętrznej. Wówczas pierścień sprężysty 1 wraca na swoje miejsce, przylegając do pierścienia nośnego, wskutek czego zwolnione zostają kulki 5. Pod działaniem sprężyn 6 kulki 5 wracają do położenia wyj­ściowego. Podczas jednego skoku zawór obraca się o około 6 do 8°. Urządzenie „Rotocap" stosowane jest w wielu silnikach produkowa­nych masowo, a między innymi w silniku samochodu ZIŁ-130 (patrz rys. 3.16). Jak wykazały badania, w dużych samochodach ciężaro­wych trwałość zaworów wskutek zastosowania wymuszonego obraca­nia się wzrasta dwukrotnie, a w lżejszych pojazdach — nawet cztero­krotnie. Zawory wykonuje się z materiałów, które wykazują następujące ce­chy: znaczna trwałość i twardość w wysokich temperaturach; niezmienność własności mechanicznych i fizycznych podczas na­grzewania i chłodzenia; odporność na korozję w wysokiej temperaturze; duża odporność na zużycie, szczególnie roboczych powierzchni grzybka i trzonka; trwałość wymiarów; w materiale zaworów pod wpływem wysokiej temperatury nie powinny zachodzić przemiany fazowe, zmieniające objętość metalu; niski współczynnik rozszerzalności liniowej; dobre przewodnictwo cieplne w wysokiej temperaturze; dobra wytrzymałość zmęczeniowa; technologiczność produkcji; możliwie niewielki koszt. Biorąc pod uwagę powyższe wymagania, na zawory stosuje się różne stale stopowe. Stale te w różnym stopniu spełniają stawiane im wy­magania. Na zawory ssące, które pracują w korzystniejszych warunkach, sto­suje się tańsze stale, zawierające mniej dodatków stopowych. Do sil­ników mniej obciążonych zawory wykonywane są zwykle ze stali chromowej (ok. l°/o chromu) z niewielkim dodatkiem molibdenu lub wanadu. Do silników bardziej obciążonych na zawory stosuje się takie same stale ferrytyczne, jak na mniej obciążone zawory wydechowe. Zawory wydechowe wykonuje się ze stali ferrytycznych (tańszych) lub stali austenitycznych (droższych). Stale ferrytyczne zawierają ok. 10% chromu i ok. 2,5% krzemu, a niektóre ponadto dodatek molibdenu i niklu. Stale te odznaczają się dobrym przewodnictwem cieplnym i małym współczynnikiem rozsze­rzalności cieplnej, jednak ich wytrzymałość w wysokiej temperaturze nie jest wysoka. Bardziej korzystna jest stal ferrytyczna o dużej zawartości chromu (ok. 21%), która odznacza się wysoką odpornością na korozyjne działanie czteroetylku ołowiu. Dotychczas stosowane stale austenityczne zawierały po około 14% chromu i niklu, 2,5% wolframu i 0,5% molibdenu. Stale te odznaczają się bardzo dużą wytrzymałością w wysokiej temperaturze oraz odpor­nością na korozję, mają jednak również wiele wad. W znacznie więk­szym stopniu spełnia wymagania, stawiane stalom przeznaczonym na zawory, ostatnio stosowana stal 50H21G9N4. Zawiera ona 21% chro­mu, 4% niklu, 9% manganu i 0,4% azotu. Do wad tej stali należy zaliczyć jedynie zbyt mały współczynnik przewodnictwa cieplnego i zbyt duży współczynnik rozszerzalności cieplnej.