Головка блока цилиндров

Головка блока цилиндров (ГБЦ) — это верхняя съёмная часть двигателя внутреннего сгорания, закрывающая цилиндры и образующая вместе с блоком цилиндров и поршнями камеру сгорания. ГБЦ является одной из наиболее сложных и ответственных деталей двигателя, так как в ней размещаются элементы газораспределительного механизма, впускные и выпускные каналы, а также каналы системы охлаждения и смазки.

История

Первые двигатели внутреннего сгорания конца XIX века имели неразъёмную конструкцию блока и головки, что затрудняло их обслуживание и ремонт. С развитием технологий литья и механической обработки в начале XX века появились съёмные головки. Это позволило упростить доступ к клапанному механизму и поршневой группе.

В 1910-х годах компания Rolls-Royce начала использовать съёмные головки на авиационных двигателях. Массовое внедрение ГБЦ в автомобилестроении произошло в 1920–1930-х годах. Ключевым этапом стало применение алюминиевых сплавов для изготовления головок, что позволило снизить массу и улучшить теплоотвод. В 1950-х годах с появлением верхнеклапанных двигателей (OHV) и верхнерасположенных распределительных валов (OHC) конструкция ГБЦ значительно усложнилась.

Конструкция и устройство

Головка блока цилиндров отливается из чугуна или алюминиевого сплава. Чугунные головки прочнее и долговечнее, но тяжелее и хуже отводят тепло. Алюминиевые головки легче, обеспечивают лучший теплообмен, но более подвержены деформации при перегреве. Для повышения износостойкости в алюминиевые головки часто запрессовывают чугунные седла клапанов и направляющие втулки.

Основные элементы конструкции ГБЦ:

• Камеры сгорания — полости, в которых происходит воспламенение и сгорание топливно-воздушной смеси. Форма камеры (клиновая, полусферическая, тороидальная) влияет на эффективность сгорания и мощность двигателя.
• Впускные и выпускные каналы — отверстия для подачи топливно-воздушной смеси в цилиндры и отвода отработавших газов. Их конфигурация и сечение оптимизируются для обеспечения максимальной пропускной способности.
• Гнёзда для клапанов — посадочные места, в которые устанавливаются клапаны. Сёдла клапанов изготавливаются из износостойких материалов (легированный чугун, керамика) и обеспечивают герметичность камеры сгорания.
• Направляющие втулки клапанов — детали, обеспечивающие точное перемещение клапанов и отвод тепла от их стержней.
• Каналы системы охлаждения — полости, по которым циркулирует охлаждающая жидкость (антифриз), отводящая тепло от наиболее нагретых зон.
• Каналы системы смазки — отверстия для подачи масла к подшипникам распределительных валов, коромыслам и другим трущимся деталям.
• Отверстия для форсунок (в дизельных двигателях) или свечей зажигания (в бензиновых) — резьбовые гнёзда для установки соответствующих элементов.
• Прокладка головки блока цилиндров — уплотнительный элемент, устанавливаемый между ГБЦ и блоком цилиндров. Она герметизирует стык, предотвращая прорыв газов, утечку масла и охлаждающей жидкости. Прокладки изготавливаются из металла (многослойные стальные), армированного графита или паронита.

Классификация

Головки блока цилиндров классифицируются по нескольким признакам.

По материалу изготовления

• Чугунные — применяются в двигателях большой мощности (грузовики, тракторы, спецтехника), а также в старых моделях автомобилей.
• Алюминиевые — наиболее распространены в современных легковых автомобилях. Могут быть цельнолитыми или сборными (с запрессованными чугунными элементами).

По типу газораспределительного механизма

• ГБЦ для двигателей с нижним расположением клапанов (SV) — устаревшая конструкция, где клапаны находятся в блоке цилиндров. Головка выполняет только функцию крышки.
• ГБЦ для двигателей с верхним расположением клапанов (OHV) — клапаны расположены в головке, но распределительный вал находится в блоке. Привод клапанов осуществляется через толкатели и коромысла.
• ГБЦ для двигателей с верхним расположением распределительного вала (OHC, DOHC) — распределительный вал (или два вала) устанавливается непосредственно в головке. Это наиболее распространённая современная конструкция, обеспечивающая точное управление клапанами на высоких оборотах.

По количеству клапанов на цилиндр

• Двухклапанные (один впускной, один выпускной) — простые и надёжные, но менее эффективные на высоких оборотах.
• Трёхклапанные (два впускных, один выпускной) — встречаются редко, в основном на двигателях конца 1990-х — начала 2000-х годов.
• Четырёхклапанные (два впускных, два выпускных) — наиболее распространены в современных двигателях, обеспечивают лучшую наполняемость цилиндров и мощность.
• Пятиклапанные (три впускных, два выпускных) — использовались в некоторых двигателях Audi и Ferrari, но не получили широкого распространения из-за сложности конструкции.

Применение

Головка блока цилиндров является обязательным элементом любого поршневого двигателя внутреннего сгорания — бензинового, дизельного, газового, а также роторно-поршневого двигателя Ванкеля (в последнем случае конструкция головки отличается). ГБЦ применяются в:

• легковых и грузовых автомобилях;
• мотоциклах и скутерах;
• авиационных двигателях;
• судовых двигателях;
• стационарных двигателях (генераторы, насосы);
• двигателях сельскохозяйственной и строительной техники.

Неисправности и ремонт

Наиболее распространённые неисправности ГБЦ:

• Прогорание прокладки — происходит из-за перегрева, неправильной затяжки болтов или естественного износа. Симптомы: потеря мощности, перегрев, белый дым из выхлопной трубы, эмульсия масла с антифризом.
• Трещины в головке — возникают при резком перепаде температур (например, заливка холодной воды в горячий двигатель) или заводском браке. Приводят к утечке охлаждающей жидкости и прорыву газов.
• Деформация (коробление) плоскости — происходит при перегреве. Приводит к нарушению герметичности стыка с блоком цилиндров. Устраняется шлифовкой плоскости на специальном станке.
• Износ седел и направляющих втулок клапанов — проявляется в виде стука клапанов, падения компрессии и увеличения расхода масла.
• Закоксовывание масляных каналов — результат использования некачественного масла или длительного отсутствия замены. Приводит к масляному голоданию и задирам на распределительных валах.

Ремонт ГБЦ включает в себя дефектовку (проверку на герметичность, измерение плоскостности), замену изношенных деталей (направляющих втулок, седел, клапанов), шлифовку плоскости, а также замену прокладки. В сложных случаях (трещины, деформация) может потребоваться замена головки в сборе.

Интересные факты

• В 1960-х годах компания Honda разработала двигатель с головкой, имеющей по 5 клапанов на цилиндр, что позволило достичь высокой удельной мощности.
• Самая большая ГБЦ в мире изготавливается для судовых дизельных двигателей Wärtsilä-Sulzer RTA96-C. Её масса превышает 5 тонн.
• В двигателях с непосредственным впрыском топлива в головке блока цилиндров размещаются не только форсунки, но и свечи зажигания (в бензиновых двигателях) или свечи накаливания (в дизельных).
• На некоторых гоночных двигателях Формулы-1 ГБЦ изготавливается из магниевого сплава для снижения массы.

Источники

• Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа / под ред. В. М. Архангельского. — М.: Машиностроение, 1990.
• Автомобильные двигатели: конструкция и расчёт / В. И. Балашов, В. М. Дмитриев. — М.: Академия, 2012.
• Техническая литература по ремонту двигателей: Bosch, Haynes, Chilton.
• Материалы производителей (Toyota, Volkswagen, Caterpillar, Cummins).