Головка блока цилиндров: назначение, принцип работы, возможные неполадки

Промо 05.11 Обсудить

Двигатели внутреннего сгорания устанавливаются на большинство отечественных или собранных за границей автомобилей. Силовые агрегаты постоянно дорабатываются, технические характеристики улучшаются. При этом конструктивное исполнение моторов остаётся прежним на протяжении многих лет. Одной из составных частей двигателя является головка блока цилиндров. Этот узел имеет определенные особенности и функционал.

Используемые материалы

К материалам изготовления ГБЦ предъявляются достаточно жесткие требования. Это обусловлено тем, что в данном узле находится ГРМ со впускными и выпускными каналами. Т.о., через ГБЦ проходит топливная смесь и раскаленные газы. Это значит, что металл работает в условиях высокой температуры и давления, постоянно соприкасается с химически агрессивной жидкостью в состоянии аэрозоля. Чтобы решить эти проблемы, для автомобильных моторных ГБЦ применяют:

Алюминий. Этот металл хорош тем, что он легкий,недорогой и хорошо проводит тепло. Поэтому тепловая напряженность в стенках всегда невысокая, из-за чего детонации не возникаютдаже в моторах с очень большим сжатием. Движки в ГБЦ из данного материала отличаются высокой мощностью и экономичностью. В изготовлении и ремонте они более удобны, т.к. легко обрабатываются.
Чугун. Он может быть легированный или серый. В обоих случаях это материал со значительной удельной плотностью и, как следствие, массой (По сравнению с алюминием, он приблизительно в два раза тяжелее). Еще один недостаток — подверженность коррозии. Из положительных качеств надо отметить большую прочность и жаростойкость. Чаще всего из этого материала делают ГБЦ для дизельных двигателей, особенно для тракторов. Связано это с тем, что детонационные характеристики ДТ превышают прочностные параметры алюминиевых ГБЦ, из-за чего последние быстро ломаются.

Иногда в охлаждаемых воздухом дизелях ГБЦ делают так, чтобы соединить жаростойкость с большой теплопроводностью. Тогда из чугуна отливают основание головки и выхлопных клапанов. А все остальное заливают сплавом алюминия. Получается довольно неплохо.

Не смотря на постоянное чередование циклов «нагрев – охлаждение», ГБЦ деформируется намного меньше. А теплоотвод у нее очень хороший. На форсированных дизелях, работа которых отличается высокой тепловой напряженностью, используют специальные сплавы алюминия.

Статья в тему: Как подтянуть кулису на ваз 2109

Цилиндры и хонингование

Рабочие цилиндры могут быть выполнены непосредственно как часть блока, а могут применяться гильзы. На поверхность цилиндров наносится специальный никелькремниевый сплав – никасил. Это очень прочный материал, защищающий кольца поршня от трения. Поверхность полируется до зеркала, чтобы свести к минимуму трение в условиях ограниченного поступления масла.

Хон цилиндра

Для улучшения смазки внутренней поверхности цилиндров применяют хонингование. Хон наносится специальным инструментом с головкой и абразивными брусками. В итоге на поверхности образуется выгравированная сетка. В ее желобках лучше удерживается масло. На внутренних стенках с хоном образуется масляная пленка, в результате чего значительно снижается трение и повышается ресурс деталей. Повторное хонингование, как правило, делается во время расточки двигателя или замены гильз.

Вопросы ТО, ремонта и замены ГБЦ

Головка блока цилиндров и смонтированные на ней компоненты подвергаются значительным нагрузкам, что приводит к их интенсивному износу и поломкам. Как правило, неисправности самой головки встречаются нечасто — это различные деформации, трещины, повреждения в следствие коррозии и т.д. При таких проблемах ГБЦ редко подвергается ремонту — ее лучше заменить на новую. Для замены следует подбирать головку того же типа и каталожного номера, в противном случае деталь просто не встанет на место (без доработок).

Чаще всего поломки ГБЦ возникают в установленных на ней системах — ГРМ, смазочной и т.д. Обычно это износ седел и втулок клапанов, самих клапанов, деталей привода, распределительного вала и т.д. Во всех этих случаях производится замена или ремонт неисправных деталей. Однако в условиях гаража некоторые виды ремонта выполнить затруднительно, например — выпрессовка и запрессовка направляющих втулок клапанов, притирка седел клапанов и другие работы возможны только при наличии специального инструмента.

Статья в тему: Не могу найти предохранитель освещения номерного знака

Особое внимание следует уделять правильности монтажа ГБЦ. Важно помнить, что прокладка ГБЦ — одноразовая, ее необходимо обязательно менять в случае демонтажа головки, повторная установка этой детали недопустима. При монтаже ГБЦ следует соблюдать правильный порядок затяжки крепежа (шпилек или болтов): обычно работа начинается с середины головки с движением к краям. При такой затяжке обеспечивается равномерное распределение нагрузки на головку и предотвращаются недопустимые деформации.

В процессе эксплуатации автомобиля следует проводить ТО головки и расположенных в ней систем в соответствии с инструкцией и рекомендациями производителя. При своевременном проведении обслуживания и ремонта ГБЦ и весь двигатель будет работать надежно и эффективно.

Классификация ГБЦ

Современные ГБЦ можно классифицировать по расположению и форме камеры сгорания, конструктивному исполнению, наличию деталей газораспределительного механизма и назначению (применяемости).

ГБЦ могут иметь различные по расположению и конструкции камеры сгорания (КС):

КС, отформированные полностью в головке. В моторах с такими ГБЦ используются плоские поршни, при их подходе в ВМТ весь объем КС формируется головкой;
КС, частично отформированные в головке и частично расположенные в поршне. В моторах с такими ГБЦ поршни имеют выемки в днище, которые являются частью КС;
КС, расположенные полностью в поршне. В таких моторах нижняя плоскость головки практически плоская (с выемками для клапанов и каналов), а КС полностью отформирована в днище поршня.

Статья в тему: Лада веста св кросс трансмиссия

КС могут иметь различную форму, которая определяет эффективность смесеобразования, сгорания топливно-воздушной смеси, отвода отработанных газов и т.д. наиболее распространенными формами КС являются сфера, полусфера, шатер, клин и полуклин, и другие. Однако на современных моторах все чаще встречаются КС сложной (комбинированной) формы, сочетающие в себе лучшие качества простых по форме камер.

В отдельную группу относятся форкамерные ГБЦ, в которых помимо основной КС выполнена связанная с ней малая камера для предварительного воспламенения горючей смеси.

Головки выпускаются трех конструкций:

Общая ГБЦ для всех цилиндров рядного двигателя или одного ряда V-образного силового агрегата;
Групповые ГБЦ рядных и V-образных моторов, закрывающих только часть (обычно половину) цилиндров одного ряда;
Раздельные (индивидуальные) ГБЦ для каждого цилиндра.

Наиболее широкое применение получили общие головки, которые сегодня используются на рядных и V-образных двигателях малого и среднего объема. На мощных многолитровых и многоцилиндровых моторах, особенно дизельных, чаще используются индивидуальные ГБЦ — такое решение продиктовано необходимостью снижения массы головок и расхода металла на их изготовление. Кроме того, наличие отдельных головок значительно облегчает и ускоряет процесс обслуживания и ремонта деталей цилиндра (поршня, ГРМ и других).

ГБЦ делятся на группы по наличию и комплекту газораспределительного механизма:

Без деталей ГРМ — к этой группе относятся ГБЦ старых нижнеклапанных и нижневальных многоцилиндровых моторов, а также современных двухтактных бесклапанных моторов (мотоциклов и малой техники);
С отдельными деталями ГРМ — клапанами и приводами клапанов (коромыслами и сопутствующими компонентами);
Со всем механизмом газораспределения — к этой группе относится большое число современных моторов, в ГБЦ которых располагается распредвал, клапаны и их привод, а также вспомогательные механизмы и датчики.

Статья в тему: Багажник на крышу lada vesta sw cross

Наконец, ГБЦ подразделяются на множество групп по применяемости и некоторым особенностям:

Для дизельных и бензиновых моторов (а также и для моторов с газобаллонным оборудованием);
Для агрегатов с жидкостным и воздушным охлаждением;
Для моторов с различными режимами работы (обычных и форсированных).

Однако, независимо от типа и особенностей ГБЦ, все они имеют похожую конструкцию и принцип работы.

Головка цилиндров — форма и размер выпускного отверстия

Форма выпускного отверстия воздушно-топливной смеси менее важна, чем форма впускного отверстия. При условии диаметра выпускного коллектора больше отверстия на головке цилиндров, и тщательно уплотнённой прокладки, выход газа протекает нормально.

Конфигурация форм выходных отверстий автомобильных головок цилиндров, преобладающих в конструкциях современных моторов. Как видно, в основном это круглые формы

Если впускные направляющие на головках цилиндров требуют более точного выравнивания с впускным коллектором для обеспечения хорошего потока, а отверстия для охлаждающей жидкости требуют герметизации, форма выпускного отверстия видится менее критичной.

Впускные клапаны головки цилиндров автомобиля

Впускные клапаны, как правило, по размерам больше, чем выпускные клапаны. Впускные клапаны диаметром 2,02 дюйма (51,31 мм) рассматриваются обычными небольшими блочными клапанами. Как и следует ожидать, чем больше клапан, тем более объёмный поток воздуха и топлива. Расстояние подъёма клапана также влияет на объем проводимого потока воздуха / топлива.

Конструкция, где применяются большеразмерные впускные клапаны, способна обеспечить более объёмное пропускание воздушно-топливной смеси в камеру сгорания

Статья в тему: Можно перепрошивать заводскую программу на лада гранта

Впускные клапаны традиционно делаются по размерам больше, чем выпускные. Такой подход обусловлен работой поршня, отходящего от впускного клапана, создающего вакуум с целью втягивания смеси воздуха с топливом в камеру сгорания. Захват воздуха и топлива поршнем, однако, видится не таким эффективным процессом, как выдавливание выхлопных газов в такте выпуска.

Выпускные клапаны головки блока цилиндров

Выпускные клапаны по размерности меньше впускных клапанов. Выпускные клапаны диаметром 38,1 мм (1,60 дм) распространены на двигателях, оснащённых системой «SBC» (Sensotronic Brake Controle). Как и для впускного клапана, чем больше размер выпускного клапана, тем большим обеспечивается прохождение рабочих газов.

Расположение элементов на рабочей площади: 1 – выпускной клапан; 2 – впускной клапан; 3 – место установки запальной свечи (свеча зажигания)

Область камеры сгорания достаточно обширна для установки впускного и выпускного клапанов, а также свечи зажигания в каждом сегменте. Между тем, есть обстоятельства, при которых на двухклапанном двигателе максимизируют площадь под установку клапанов большего размера. Физически такие детали не помещаются в головке над цилиндром.

Конструктивное исполнение

камеру сгорания, иногда очень причудливой формы для максимальной оптимизации процесса горения с точки зрения экономичности и мощности;
свечу зажигания, обычно одну на цилиндр, хотя эксперименты с парой свечей продолжаются;
весь набор клапанов, от двух до пяти на цилиндр;
механизмы регулировки клапанных зазоров, от самых простых — в виде подбираемых по толщине толкателей, до гидравлической компенсации за счёт нагнетания в толкатель масла под давлением;
распределительные валы, вращающиеся в отлитых в материале головки постелях, смазываемые под давлением из общей системы смазки двигателя;
фазорегуляторы или фазовращатели на торцах распредвалов, служащие для регулирования момента срабатывания клапанов в зависимости от оборотов;
иногда довольно сложные системы управления высотой подъёма клапанов, улучшающие работу при частичных нагрузках;
свечные колодцы, отлитые в ГБЦ между распредвалами, поскольку свечи сейчас стоят очень глубоко из-за выросших размеров узла.

Статья в тему: Какой редуктор лучше поставить на ваз 2107

Головку обычно отливают из алюминиевого сплава, поскольку он при малой плотности, а значит и массе, имеет тот же коэффициент теплового расширения, что и чугун со сталью. Хотя встречаются и чугунные головки, массивно, но очень надёжно.

В алюминий обработанной отливки запрессовываются направляющие клапанов, сделанные из стали или латуни, а также чугунные гнёзда под клапанные тарелки. Эти детали можно заменять по мере износа.

Весь узел снабжён фланцами, на которые через шпилечное крепление устанавливаются впускные и выпускные коллекторы. В последнее время наметилась тенденция и эти детали также интегрировать в тело ГБЦ, что делает её ещё более сложной и дорогой, хотя незначительно улучшает экологические характеристики двигателя.

Конструктив ГБЦ очень сильно влияет на мощностные характеристики двигателя. Этому способствуют размеры и плавность аэродинамических линий впускных и выпускных каналов, а также общее сечение тарелок клапанов и форма камеры сгорания. Поэтому доработка головки, если это не было сделано при конструировании, является одним из самых главных направлений при тюнинге двигателей.

Устройство ГБЦ и ее функциональное назначение

ГБЦ, в соответствии со своим названием, находится в верхней части мотора. По сути это корпус, в котором монтируются детали газораспределительного механизма (ГРМ), управляющего впуском воздушно-топливной смеси в цилиндры и выпуском отработанных газов. В головке располагаются верхние части камер сгорания. В ней имеются отверстия с резьбой для вкручивания свечей зажигания и форсунок, а также отверстия для подсоединения впускного и выпускного коллектора.

Статья в тему: Нива шевроле тюнинг для бездорожья фото

Для циркуляции охлаждающей жидкости служат специальные каналы (так называемая рубашка охлаждения). Снабжение смазкой осуществляется по масляным каналам.

Кроме того, здесь предусмотрены посадочные места для клапанов с пружинами и приводными элементами. В простейшем случае на каждый цилиндр приходится по два клапана (впускной и выпускной), но их может быть и больше. Дополнительные впускные клапаны дают возможность увеличить общую площадь сечения, а также уменьшить динамические нагрузки. А за счет дополнительных выпускных клапанов можно улучшить теплоотвод.

Посадочное гнездо клапана (седло), изготовленное из бронзы, чугуна или жаропрочной стали, запрессовывается в корпус ГБЦ либо может выполняться в самой головке.

Точность посадки клапанов обеспечивают направляющие втулки. Материалом для их изготовления может быть чугун, бронза, металлокерамика.

Головка клапана имеет конусообразную фаску, сделанную под углом 30 или 45 градусов. Эта фаска является рабочей поверхностью клапана и прилегает к фаске седла клапана. Обе фаски тщательно обрабатываются и притираются для плотного прилегания.

Для надежного закрывания клапана служит пружина, которая производится из легированной стали с последующей специальной обработкой. Величина ее предварительной затяжки существенно влияет на параметры работы мотора.

Управляет открыванием / закрыванием клапанов распределительный вал. На нем имеется по два кулачка на каждый цилиндр (один для впускного, другой для выпускного клапана). Хотя возможны и другие варианты, в том числе наличие двух распредвалов, один из которых управляет впуском, другой — выпуском. В двигателях современных легковых автомобилей чаще всего применяется именно два распредвала, установленных сверху, а количество клапанов составляет 4 на каждый цилиндр.

Статья в тему: Нагрузочная вилка для проверки акб

В качестве приводного механизма управления клапанами применяются рычаги (коромысла, рокеры) или толкатели в виде коротких цилиндров. В последнем варианте зазор в приводе автоматически регулируется с помощью гидрокомпенсаторов, что повышает их надежность и продлевает срок службы.

Нижняя поверхность ГБЦ, которая прилегает к блоку цилиндров, делается ровной и тщательно обрабатывается. Чтобы исключить попадание антифриза в систему смазки или моторного масла в систему охлаждения, а также проникновение этих рабочих жидкостей в камеру сгорания, между головкой и блоком цилиндра при монтаже устанавливается специальная прокладка. Она может быть изготовлена из асбестокаучукового композитного материала (паронит), из меди или стали с полимерными прослойками. Такая прокладка обеспечивает высокую степень герметичности, не дает смешиваться рабочим жидкостям систем смазки и охлаждения, изолирует друг от друга цилиндры.

К блоку цилиндров головка крепится при помощи болтов или шпилек с гайками. К затяжке болтов нужно подходить очень ответственно. Ее следует производить в строгом соответствии с указаниями автопроизводителя по определенной схеме, которая может отличаться у разных двигателей. Обязательно нужно использовать динамометрический ключ и соблюдать установленный момент затяжки, который должен быть указан в инструкции по ремонту.

Несоблюдение процедуры приведет к нарушению герметичности, пробою прокладки ГБЦ, выходу газов через стык, снижению компрессии в цилиндрах, нарушению изоляции друг от друга каналов систем смазки и охлаждения. Все это проявится нестабильной работой двигателя, потерей мощности, перерасходом горючего. Как минимум придется менять прокладку, моторное масло и антифриз с промывкой систем. Возможны и более серьезные неприятности вплоть до необходимости серьезного ремонта двигателя.

Статья в тему: Не горит щиток приборов калина

Необходимо помнить, что прокладка ГБЦ не годится для повторной установки. Если головка снимается, прокладку необходимо обязательно заменить, независимо от ее состояния. То же касается и болтов крепления.

Сверху ГБЦ закрывается защитной крышкой (ее еще называют клапанной крышкой) с резиновым уплотнением. Она может быть изготовлена из листовой стали, алюминия или пластика. В крышке обычно имеется горловина для заливки моторного масла. Здесь также нужно соблюдать определенные моменты затяжки при закручивании болтов крепления и менять уплотнительную резину при каждом вскрытии крышки.

Техническое обслуживание и диагностика ГБЦ

Даже тем автовладельцам, кто ездит на небольшие расстояния, необходима периодическая профилактика клапанов и их сальников, а также уплотнительных прокладок. Что уж говорить о любителях агрессивной манеры езды!

Особенно проблемной считается прокладка головки блока цилиндров. При её износе происходит утечка рабочих жидкостей и их смешивание. Попадание антифриза в смазку вызывает нежелательную химическую реакцию. Со временем это ведёт к постепенному, но тотальному разрушению силовой установки. Основной тревожный сигнал подаёт датчик температуры, сигнализирующий о парообразовании в системе охлаждения мотора.

Видео: признаки и последствия пробития прокладки гбц

Приблизительная оценка ситуации возможна после снятия свечей зажигания, но так или иначе, визит по данному поводу в специализированную мастерскую не помешает. И не столько из-за того, что там работает подготовленный персонал, сколько потому, что на СТО имеется современная диагностическая аппаратура, без которой сегодня при ремонте автомобиля невозможно обойтись.