Головка блока цилиндров является одной из самой важной деталью двигателей внутреннего сгорания. Обычно это монолитная деталь (также может быть в разделенном виде) из сплавов алюминия (или чугуна), которая является корпусной деталью для газораспределительных механизмов и формирует верхнюю часть камеры сгорания. Как правило устанавливается на блок цилиндров через прокладку и крепится при помощи болтов.
Головка блока цилиндров. Общий вид, 3D модель
Назначение головки блока цилиндров
Головка блока берет на себя обязанности по выполнению таких важных функций, как обеспечение базировки и размещения компонентов газораспределительного механизма, элементов подвода и отвода топлива, обеспечение газодинамических характеристик воздушного заряда, отвод из камеры сгорания продуктов горения, формирование камеры сгорания и обеспечение ее герметичности, отвод и подвод масла для компонентов газораспределительного механизма (ГРМ). Также головка блока цилиндров (ГБЦ) является важным элементом, благодаря, которому обеспечивается соответствие автомобиля экологическим стандартам по уровню выброса вредных веществ.
Устройство головки блока цилиндров. Конструкция.
Головка блока цилиндров в разрезе. Установка форсунки
Головка блока цилиндров в разрезе. Установка форсунки Чтобы понять принцип работы головки блок цилиндров необходимо знать её составляющие. Итак, в состав ГБЦ входят: седла клапанов, направляющие втулки, коромысло клапана, гидрокомпенсатор (иногда идет в составе с коромыслом), траверса (если есть необходимость открытия двух клапанов одновременно при наличие одной штанги на два клапана на шестнадцати клапанной головке блока), пружины для возврата клапанов в исходное положение, свечи зажигания (для бензиновых и газовых двигателей), топливные форсунки (преимущественно используются в дизельных двигателях), впускные клапана и выпускные клапана (обычно диаметр впускных клапанов больше, чем у выпускных, так как отверстие на головке блока должно иметь определенный диаметр, с целью обеспечения необходимых газодинамических характеристик воздушного заряда, для более полного сгорания воздушно-топливной смеси).
Схема ГБЦ
Схема головки блока цилиндров в разарезе.
Схема головки блока цилиндров в разарезе. Схема, состав компонентов: 1-распределительный вал, 2-нижний наконечник штанги толкателя, 3- штанга толкателя, 4- верхний наконечник штанги толкателя, 5- винт регулировочный, 6- коромысло клапана, 7- стойка коромысла, 8- прокладка крышки, 9- крышка ГБЦ, 10- болты крепления крышки, 11- траверса, 12- пружина клапана, 13- сухарь клапана, 14- болт крепления ГБЦ к блоку, 15- направляющая клапана с маслоотражающим колпачком, 16- клапан головки блока цилиндров, 17- седло клапана,18- головка блока в разрезе, 19- прокладка головки блока цилиндров, 20- гильза. Прокладка головки блока цилиндров Материал изготовления ГБЦ может быть как алюминиевым, (например, головка блока цилиндров ВАЗ 2109) так и чугунным (дизеля).
Прокладка головки блока цилиндров
Обычно для производителей алюминиевые головки блока цилиндров приоритетнее, потому как они более удобные в производстве, обработке и ремонте. Но на некоторых дизельных двигателях используются чугунные головки, так как детонационные свойства дизельного топлива превышают прочностные характеристики алюминиевых головок, что приводит к сокращению срока службы или разрушению последних.
Также ГБЦ можно разделить на два вида это — индивидуальные головки и моноголовки. У первого вида есть ряд преимуществ, в первую очередь связанные с ремонтопригодностью, простотой и низкими затратами при обслуживании. Но большинство мировых производителей автомобилей и автокомпонентов отдают предпочтение моноголовкам, которые также имеют свои преимущества. Сложность конструкции этого вида обусловлена базировкой распределительного вала (или двух распределительных валов, что дает возможность использовать насос-форсунку (при использовании топливной системы Common Rail) и сэкономить место в блоке) в самой ГБЦ. Ниже вы найдете видео работы головки блока цилиндров.
Принцип работы головки блока цилиндров.
Головка блока цилиндров. Вид снизу.
Головка блока цилиндров. Вид снизу. Если кратко описать как работает головка блока цилиндров то получится, что она формирует камеру сгорания, подает камеру сгорания двигателя топливно-воздушную смесь и обеспечивает отвод отработавших газов. После запуска автомобиля для ГБЦ основными задачами является газораспределение и обеспечение герметичности газового стыка.
Принцип работы головки цилиндров заключается в следующем: распределительный вал толкает штангу, которая в свою очередь давит на гидрокомпенсатор и, соответственно, на коромысло. Коромысло давит на клапан, который открывается и в зависимости от назначения клапана либо топливно-воздушный заряд (или просто воздушный в дизельных двигателях) попадает в камеру сгорания, где происходит воспламенение от искры свечи зажигания, либо происходит выпуск отработавших газов в выпускной коллектор, после чего пружина клапана возвращает клапан на место и цикл повторяется снова. В дизельном двигателе, где происходит воспламенение от сжатия, важными параметрами здесь является синхронизация открытия впускного клапана и впрыска топлива форсункой.
Также, безусловно, важным параметром может стать герметичность газового стыка в соединении головки блока цилиндров с блоком цилиндров, так как при нарушение герметичности может привести к ряду проблем, таких как неполное сгорание топлива, повышенный шум, затрудненный запуск двигателя. В таких случаях необходима замена прокладки головки блока цилиндров. Прокладку нельзя использовать несколько раз, так как при повторной затяжке головки блока, установленный момент затяжки не обеспечивает стопроцентную герметичность. Затяжку следует производить от центральных болтов к крайним.
Также замена прокладки ГБЦ должна производится в стерильных условиях, дабы исключить попадания пыли, стружки и т.п. в камеру сгорания. Если при ремонте вы задумались о замене ГБЦ, то многие эксперты рекомендуют купить головку блока цилиндров в сборе, так как сборка компонентов разных производителей не гарантирует безпроблемную работу. Так вкратце описан принцип работы одной из основных деталей двигателя, также предлагаем узнать как работает ретардер и раздатка.
Основные проблемы головки блока цилиндров. Последствия и причины нарушения работоспособности.
Выпадение седла впускного клапана в процессе эксплуатации.
Последствия — Разрушение головки блока цилиндров, элементов ГРМ и ЦПГ, как следствие — отказ двигателя.
Причины — Нарушение позиционирования седел в головке блока цилиндров, так как не выдержан диаметр посадочного места.
Нарушение герметичности посадки впускных и выпускных клапанов на фаску седел
Снижение параметров компрессии, затрудненный запуск двигателя, потеря мощности
Нарушение формирования герметичности направляющих поверхностей седла клапана, так как не выдержаны геометрические параметры стенки посадочного места под седло относительно оси отверстий под клапаны
Нарушение герметичности в соединении седел с головкой блока цилиндров
Нарушение теплоотвода, разрушение элементов ГРМ и ЦПГ, как следствие отказ двигателя
Неплотная посадка седел в головке блока цилиндров, не выдержаны шероховатость стенок и торца отверстия под седло клапана, параметры перпендикулярности и биения относительно торца отверстия под седло клапана
Нарушение герметичности по прессовой посадке (в соединении с головкой блока цилиндров) направляющих втулок впускных и выпускных клапанов
Снижение параметров компрессии, затрудненный запуск двигателя, повышенный расход масла
Позиционирование отверстий под направляющие втулки клапанов не обеспечивает герметичности в соединение направляющих втулок с головкой блока цилиндров
Прорыв газов через уплотнение газового стыка (в соединении головка блока цилиндров — уплотнительная прокладка — блок цилиндров)
Нарушение рабочего процесса в цилиндре, как следствие нестабильная работа двигателя, потеря мощности, повышенный шум, нарушение требований правил ЕЭК ООН №51 и №49
Геометрия поверхности огневого днища головки блока цилиндров не обеспечивает герметичность по газовому стыку
Развитие неплоскостности днища ГБЦ под воздействием газовых сил при эксплуатации — минимальный коэффициент запаса прочности головки блока цилиндров не обеспечивает достаточной жесткости при удельной нагрузке от газовых сил
Недостаточная жесткость зон сопряжения с опорным буртом гильз блока цилиндров
Нарушение герметичности в соединении головка блока — уплотнительная прокладка — блок (по штанговым полостям и отверстиям слива масла)
Подтекание масла, нарушение требований правил ЕЭК ООН №49
Негерметичность уплотнения вследствие недостаточной жесткости (как следствие — деформации) головки цилиндров.
Нарушение герметичности в соединении головка — уплотнительная прокладка — выпускной коллектор
Не выдержан допуск плоскостности привалочной поверхности ГБЦ под уплотнительную прокладку выпускного коллектора
Чистота обработки поверхности под уплотнительную прокладку выпускного коллектора не обеспечивает герметичность стыка
Нарушение герметичности уплотнения в соединении клапанной крышки с головкой блока цилиндров
Повышенный расход моторного масла
Чистота обработки привалочной поверхности головки блока цилиндров под уплотнительную прокладку не обеспечивает герметичность в соединении
Недостаточное количество зон крепления клапанной крышки к головке блока цилиндров
Проблема — Неполное сгорание подаваемого форсункой топлива
Потеря мощности двигателя
Энергетические параметры впускного канала (момент вихря) не обеспечивают максимальное сгорание топлива.
Нарушение герметичности в соединении головки — уплотнительная прокладка — воздушный коллектор
Нарушение газодинамических характеристик — неполное сгорание топлива
Геометрические параметры привалочной поверхности головки блока под воздушный коллектор не обеспечивают герметичности в соединении с воздушным коллектором
Видео работы головки блока цилиндров
В двигателях внутреннего сгорания головка блока цилиндров (ГБЦ, часто называемая просто головкой) монтируется на блок цилиндров, запирая цилиндр (цилиндры), и образуя замкнутые камеры сгорания. Стык головки и блока уплотняют прокладкой головки блока. В головке обычно монтируются клапаны с пружинами, свечи зажигания, форсунки. В зависимости от типа двигателя (тактность, система воспламенения, тип охлаждения, система газораспределения) устройство головки может отличаться в очень больших пределах.
Содержание
Материал ГБЦ, её крепление к блоку [ править | править код ]
Лёгкие автомобильные двигатели могут иметь головку из алюминиевого сплава, особенно это относится к искровым двигателям. Обычно такую деталь получают литьём в кокиль, либо под давлением (с последующей обработкой каналов), могут использоваться стержневые формы.
Тяжёлые двигатели, и значительная часть автомобильных дизелей имеют чугунную головку, также получаемую литьём. Сёдла клапанов (при их наличии) запрессовываются с предварительным их охлаждением в парах жидкого азота; вихрекамеры, втулки клапанов также устанавливают с натягом. Головка имеет обычно ходы для газов, охлаждающей жидкости, масляные каналы, и большое количество сквозных отверстий под болты/шпильки, которые притягивают головку к блоку.
Крепление головки к блоку осуществляется силовыми болтами или шпильками с гайками и шайбами (в случае болтов они также имеют шайбы). Как индивидуальные, так и общие для ряда цилиндров, головки монтируют с затяжкой по указанному заводом способу [1] (последовательность, усилие затяжки, довороты на угол). Это необходимо для гарантии герметичности газового стыка и сохранности болтов. Упругость крепежа должна быть достаточна для сохранения затяжки при осадке прокладки газового стыка. Но превышение толщины металлоасбестовой (паронитной) прокладки или её просаживание (низкое качество, перегрев мотора) могут вызвать пробитие газового стыка головки, то есть выход двигателя из строя. Чтобы увеличить жёсткость прокладки, и тем гарантировать прижим, на современных дизелях чугунные головки монтируют с прокладками из мягкого железа.
Для дизелей толщина прокладки во многих моторах подбирается в соответствии с выступанием поршней. Если толщина окажется меньше необходимого, двигатель может начать стучать, больше — мощность до предела дымления уменьшится (т.к. объёмная доля воздуха в вихрекамере/камере в поршне будет меньше, а паразитный объём больше). Поэтому монтаж головки блока является ответственной операцией.
Головка двигателя с воздушным охлаждением [ править | править код ]
Независимо от других особенностей, имеет развитое оребрение вместо рубашки охлаждения. Наиболее распространённый в этом случае материал — силумин, так теплопроводность его выше (двигатели бензопил, культиваторов, маломощных электростанций, а/м фирмы "Татра", Д-37/Д-144), однако встречаются и чугунные на стационарных и тракторных двигателях (где вес не влияет на показатели техники). Основным показателем оребрения является отношение высоты рёбер к их ширине у основания, при его росте охлаждение улучшается.
Головка нижнеклапанного двигателя [ править | править код ]
Отличается максимальной простотой — имеет лишь ходы для охлаждающей жидкости, сверления под шпильки, и резьбу под свечи. Всегда групповая, для ряда цилиндров. Сейчас применяется редко, ввиду низкой экономичности таких двигателей. Пример двигателей: ЗИЛ-157, ГАЗ-А, ГАЗ-51.
В этом случае все клапана с их приводом монтируются в блоке.
Такое же устройство имеют головки двухтактных двигателей с кривошипно-камерной петлевой или дефлекторной продувкой. Плюсами также является лёгкость разборки и обслуживания, минимальная стоимость. Клапана в головке также отсутствуют.
Верхнеклапанная головка [ править | править код ]
Может быть индивидуальной для каждого цилиндра, в этом случае привод клапанов осуществляется штангами от расположенного в блока распредвала, либо общей для ряда цилиндров (блок может иметь один или несколько таких рядов). В случае общей головки количество вариантов её компоновки увеличивается: привод клапанов от штанг, верхний распредвал (OHC) или два верхних распредвала (DOHC).
Индивидуальные головки со штангами чаще применяют в дизелях, так как инерционные силы при меньшем числе оборотов не так велики, плюсом является меньшая масса каждой головки (облегчен монтаж). Крупноразмерные двигатели всегда имеют индивидуальные головки.
Общие головки с одним распредвалом обеспечивают управление двумя (реже четырьмя) клапанами на цилиндр, но сложны в разборке. Чаще всего имеют ручную регулировку зазоров.
Головки с двумя верхними распредвалами наиболее просто обеспечивают установку 4 клапанов на цилиндр и подачу масла к гидрокомпенсаторам. Осложняет дело лишь необходимость привода обоих валов от цепи/зубчатого ремня. Но в некоторых конструкциях валы соединены шестернями, и приводится один из них; ранние варианты имели шестерёнчатый привод от коленвала через вертикальные валики.
Неисправности [ править | править код ]
- прорыв газов из-за искривления плоскости газового стыка, коррозии, срыва крепежа;
- трещины между сёдлами, выпадение седла;
- износ посадочного диаметра под распредвал или толкатели;
- износ направляющих клапанов;
- обломы крепежа, срыв резьб под свечу или болты, трещины вне газового стыка.
Также можно считать неисправностями головки в сборе поломки/износ входящих в узел деталей (клапана, пружины, рокеры, компенсаторы).
В случае прорыва газов головку чаще всего фрезеруют, допустимое отклонение от плоскости (порядка 0,15 мм в среднеразмерных моторах) проверяют линейкой с набором щупов. Срывы резьбы под свечу устраняют установкой ввёртыша, сорванный крепёж заменяют ремонтными шпильками. Изношенные направляющие клапанов меняют, трещины вне газового стыка обычно могут быть заварены.
Трещины между сёдлами, по мере их развития, ведут к прорыву газов в рубашку охлаждения и отказу двигателя. Обычно эти трещины, и другие проходящие через газовый стык служат основанием для замены головки. Но в некоторых случаях, на свой страх и риск, также могут быть заварены.
Износ постелей под распредвал ведёт к стуку и снижению давления масла. Диаметр восстанавливают бронзовыми или дюралевыми втулками, развёртываемыми по месту (в качестве развёртки обычно используют старый распредвал с "фрезерными" зубчиками). В случае съёмных крышек опор распредвала, они могут быть осажены на абразивном камне (с контролем диаметра после затяжки).
В случае разрушений поршня, колец, седла клапана головка получает сильные повреждения, обычно приводящие к её замене. Сильная коррозия от воды или повреждения от детонации также могут сделать ремонт невозможным. Выпавшее седло, при отсутствии других неприятностей, заменяют новым или высверленным с другой головки. Для установки охлаждают в парах жидкого азота, а после дополнительно зачеканивают. Трещина между сёдлами всегда ослабляет их посадку.
Галерея [ править | править код ]
ГБЦ с двумя распредвалами и гидрокомпенсаторами
Головка блока цилиндров закрывает сверху цилиндры и крепится к блоку с помощью болтов или шпилек. Для того чтобы при сборке двигателя не произошло деформации головки блока, заворачивание крепежных элементов должно производиться с заданным усилием и в определенной последовательности. Головка блока обычно отливается из алюминиевого сплава (реже из чугуна).
В ней полностью или частично располагаются камеры сгорания. Внутри головки выполняются впускные и выпускные каналы, каналы водяной рубашки для прохода охлаждающей жидкости и каналы смазочной системы. Каналы для подачи топливно-воздушной смеси или воздуха в цилиндры и выпуска отработавших газов проходят в каждую камеру сгорания и заканчиваются запрессованными в головку блока седлами клапанов, изготовленными из чугуна или других прочных материалов. В каждом цилиндре двигателя установлено, как минимум, по два клапана (впускной и выпускной). Клапаны прижимаются к седлам с помощью пружин. В головке блока цилиндров располагаются и другие детали газораспределительного механизма.
Сверху головка блока закрывается крышкой, которая крепится к головке через прокладку. Крышка головки блока изготавливается из листовой стали или алюминиевого сплава. Головки блока цилиндров двигателей современных автомобилей могут иметь довольно сложную конструкцию и включать в себя большое количество деталей в зависимости от конструкции механизма газораспределения.
Рис. Головка блока четырехцилиндрового рядного двигателя с двумя распределительными валами и четырьмя клапанами на цилиндр