Головка похожа на крышку с управляемыми дверцами — клапанами. Когда канал закрыт, давление остаётся в цилиндре.
Головка блока цилиндров: устройство и принцип работы
Закрывает цилиндры сверху и направляет воздух и газы.
Открытие
Привод нажимает на клапан и открывает проход.
Закрытие
Пружина возвращает тарелку клапана на седло.
Уплотнение
Прокладка между головкой и блоком удерживает давление и разделяет жидкости.
Как головка блока управляет газообменом
Камера сгорания. Головку отливают из алюминиевого сплава. Снизу у каждого цилиндра камера в виде шатра: на одном скате два впускных клапана, на другом два выпускных, в вершине свеча. Головка прижата к блоку десятью болтами через прокладку.
Четыре клапана вместо двух. Два небольших клапана открывают больше площади, чем один большой, и они легче — их проще разогнать на высоких оборотах. Впускные больше выпускных (33 и 28 мм): наполнить цилиндр труднее, чем выпустить газы под давлением.
Кулачок, стакан, пружина. Кулачок давит на стакан-толкатель и опускает клапан, закрывает его пружина. На полном подъёме пружина сжата сильнее всего. Тарелка с сухарями держит пружину на стержне, направляющая центрирует стержень, колпачок не пускает масло вниз.
Фазы и перекрытие. Распредвалы вращаются вдвое медленнее коленвала. Выпуск открывается за 55° до НМТ, впуск закрывается через 55° после НМТ, а около ВМТ оба клапана немного открыты — это перекрытие, оно продувает камеру.
Охлаждение. Вокруг камер, выпускных каналов и свечных колодцев идёт рубашка охлаждения. Жидкость приходит из блока через отверстия в прокладке. Самое горячее место — перемычка между выпускными клапанами и свечой.
Детали в модели «Головка блока цилиндров»
Корпус головки. Отливка из алюминиевого сплава: снизу четыре камеры сгорания, по бокам впускные и выпускные каналы, сверху постели распредвалов и колодцы под стаканы. Внутри — рубашка охлаждения. Алюминий лёгкий и хорошо отводит тепло, но мягче чугуна, поэтому сёдла и направляющие клапанов — запрессованные вставки.
Клапаны и сёдла. На цилиндр два впускных клапана Ø33 мм и два выпускных Ø28 мм. Тарелка клапана садится фаской 45° на запрессованное седло и запирает камеру. Выпускные работают в потоке газов около 700 °C и сделаны из жаропрочной стали.
Направляющие и колпачки. Бронзовая или металлокерамическая втулка запрессована в головку и центрирует стержень клапана. Сверху на ней маслосъёмный колпачок: он пропускает тонкую плёнку масла для смазки и не даёт маслу стекать в камеру.
Пружины, тарелки и сухари. Пружина прижимает клапан к седлу. В закрытом положении она давит около 210 Н, на полном подъёме — до 466 Н. Тарелка с двумя сухарями держит пружину на стержне клапана.
Толкатели-стаканы. Стакан Ø30 мм стоит в колодце над пружиной. Кулачок скользит по его донышку и толкает клапан вниз. Тепловой зазор 0,2–0,3 мм между кулачком и стаканом подбирают шайбами или толщиной донышка; в других моторах стоят гидрокомпенсаторы.
Распредвалы. Впускной и выпускной валы, по 8 кулачков на каждом. Вращаются вдвое медленнее коленвала: за два оборота коленвала, то есть за один цикл, каждый клапан открывается один раз. Форма кулачка задаёт, когда и насколько открывается клапан.
Постели и крышки распредвалов. Распредвалы лежат в постелях головки без вкладышей, сверху их держат крышки на двух болтах. Постели растачивают вместе с крышками, поэтому крышки не меняют местами и ставят по меткам.
Свечи зажигания. Свеча стоит в центре шатра, между четырьмя клапанами: так пламя от искры доходит до стенок камеры быстрее всего. Резьба M14 длиной 20 мм, выше — колодец, в который входит наконечник катушки.
Катушки зажигания. Отдельная катушка на каждую свечу стоит сверху на клапанной крышке и резиновым наконечником уходит в колодец.
Клапанная крышка. Закрывает распредвалы и толкатели, на ней держатся катушки, внутри — маслоотделитель вентиляции картера. Уплотняется резиновой прокладкой по периметру и кольцами свечных колодцев.
Впускные и выпускные каналы. Каналы отлиты в головке. Впускные (сторона −Z) плавно подводят смесь к впускным клапанам, выпускные выводят газы к коллектору. Чем глаже и прямее канал, тем лучше цилиндр наполняется.
Рубашка охлаждения. Полости с охлаждающей жидкостью вокруг камер сгорания, выпускных каналов и свечных колодцев. Жидкость приходит из блока через отверстия в прокладке. На разрезе она голубая, металл — заштрихован.
Прокладка ГБЦ. Многослойная стальная прокладка между головкой и блоком. Вокруг цилиндров — окантовки, рассчитанные на давление сгорания 60–80 бар и выше; отдельные отверстия перепускают охлаждающую жидкость и масло.
Болты ГБЦ. Десять болтов прижимают головку к блоку через прокладку. Затягивают в порядке от центра к краям в несколько приёмов, часто с доворотом на угол: болт вытягивается и даёт равномерный прижим.
Звёздочки и цепь ГРМ. На каждом распредвале звёздочка 42 зуба, на коленвале — 21: коленвал : распредвал = 2 : 1, распредвал вращается вдвое медленнее. Метки на звёздочках при сборке совмещают с метками на головке в положении ВМТ цилиндра 1.
Поршни (для наглядности). Поршни и цилиндры под головкой показаны призрачно, чтобы было видно, в каком такте каждый цилиндр. Блок цилиндров разобран в лаборатории двигателя.
Показ по шагам
Головка целиком. Литая алюминиевая головка закрывает четыре цилиндра сверху. В ней камеры сгорания, 16 клапанов, два распредвала, свечи, каналы и рубашка охлаждения. Крышку и катушки сняли, головку разрезали по цилиндру 4.
Камеры сгорания. Снизу у каждого цилиндра шатровая камера: на одном скате два впускных клапана, на другом два выпускных, в вершине свеча. Четыре клапана открывают больше площади, чем два.
Разрез через клапаны. Справа впускной канал, слева выпускной. Над каждым клапаном направляющая, колпачок, пружина и стакан. Голубое — рубашка охлаждения, штриховка — металл.
Кулачок давит на стакан. Распредвал вращается вдвое медленнее коленвала. Кулачок набегает на донышко стакана и опускает клапан, пружина возвращает его на седло.
Перекрытие клапанов. Около ВМТ в конце выпуска и в начале впуска приоткрыты все четыре клапана: поток выходящих газов помогает втянуть свежую смесь. На графике кривые впуска и выпуска здесь перекрываются.
Свеча и рубашка. Разрез через ось цилиндра: свеча в центре камеры, над ней колодец под наконечник катушки, вокруг — охлаждающая жидкость.
Привод распредвалов. Цепь от коленвала крутит две звёздочки по 42 зуба. Метки на звёздочках при сборке совмещают с метками на головке.
Что ломается и как это проявляется
Пробита прокладка ГБЦ. Признаки: уходит охлаждающая жидкость, из трубы белый пар со сладковатым запахом, в расширительном бачке пузыри, двигатель перегревается. Если прорыв между двумя цилиндрами — троит, компрессия низкая в обоих. Что проверить: уровень жидкости, пузыри в бачке на работающем двигателе, тест на выхлопные газы в бачке, компрессию и опрессовку цилиндров, масло на эмульсию. При замене прокладки проверяют плоскость головки линейкой и щупом, ставят новые болты и затягивают в заданном порядке.
Прогорел выпускной клапан. Признаки: двигатель троит постоянно, хуже на холостых, в трубе слышны хлопки. Компрессия в одном цилиндре 3–5 бар при норме 11–14. Что проверить: компрессию по цилиндрам, тест утечки сжатым воздухом: шипение в выхлопной трубе — выпускной клапан, во впуске — впускной. Ремонт: снять головку, заменить клапан, восстановить седло, проверить направляющую и тепловые зазоры.
Изношены маслосъёмные колпачки. Признаки: после ночной стоянки и при сбросе газа из трубы сизый дым, расход масла 0,5–1 л на 1000 км, свечи в масляном нагаре. Компрессия при этом в норме. Что проверить: дым после стоянки и при торможении двигателем, компрессию (если в норме — дело не в кольцах), люфт клапанов в направляющих. Колпачки меняют без снятия головки: клапан удерживают сжатым воздухом через свечное отверстие.
Изношен впускной кулачок. Признаки: двигатель хуже тянет, неровно работает на холостых, бывают пропуски в одном цилиндре. Под крышкой видна стёртая вершина кулачка и выработка на стакане. Что проверить: давление и уровень масла, высоту кулачков микрометром (сравнить с соседними), стаканы. Распредвал меняют вместе со стаканами и маслом, проверяют масляный насос.
Растянута цепь ГРМ. Признаки: треск цепи в первые секунды после пуска, ошибка рассогласования распредвала и коленвала, двигатель хуже тянет внизу. Что проверить: совпадение меток в ВМТ цилиндра 1, вылет штока натяжителя, данные датчиков фаз. Меняют цепь вместе с натяжителем, успокоителями и звёздочками.
Упрощения модели
Головка показана без блока; поршни и цилиндры под ней — призрачные, чтобы было видно такты. Разрез проходит только через цилиндр 4.
Вращение замедлено: на 16 об/мин один цикл длится 7,5 с, на холостом ходу двигателя — около 0,2 с.
Цепь показана только у звёздочек распредвалов; натяжитель, успокоители и звёздочка коленвала — в лабораториях двигателей.
Рубашка охлаждения построена по простому правилу: жидкость там, где металл толще 5,5 мм с каждой стороны. В настоящих головках её форма сложнее. Фазорегулятор, гидрокомпенсаторы и масляные каналы не показаны.
Размеры учебные: клапаны и каналы взяты из общей геометрии двигателей лаборатории, перемычка между впускными клапанами тоньше, чем обычно.
Связанные узлы и детали
Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.