Головка цилиндров: деталь двигателя автомобиля и техническая роль

Головка цилиндров: деталь двигателя автомобиля и техническая роль

Автомобильные (да и другие) двигатели внутреннего сгорания, по сути, представляют воздушные насосы. Чем больше воздуха закачивается в такой «насос», тем больше воздушно-топливного ресурса получится сжечь. Соответственно, тем больше производится энергии. Поучение лошадиных сил далеко непростая задача, но это основная концепция автомобильного мотора. Вместе с тем, головка цилиндров автомобильного мотора является основным компонентом, благодаря которому обрабатываются воздух, топливо и выхлопные газы. Нет необходимости доказывать тот факт, что эта деталь является основным элементом в решении задачи создания лошадиных сил и крутящего момента.

Как  подобрать головку цилиндров на мотор автомобиля?

Поскольку форма и размер камеры сгорания оказывают кардинальное влияние на работу автомобильного мотора, требуется соответствующий выбор, но не под пиковые значения. Понимание терминологии «головка цилиндров» и получаемых конечных эффектов, — это основа для удачного выбора под конкретное применение.

Цель владельца автомобиля, соответственно, определяется подбором наиболее оптимальной головки цилиндров под соответствующее использование. Делать упор исключительно на головку блока цилиндров большого размера – это вовсе не оптимальный вариант. Но как правильно выбрать головку блока цилиндров автомобильного мотора? Рассмотрим этот вопрос ниже, чтобы попытаться найти ответ.

Чугунные автомобильные головки блока цилиндров

Достаточно большое количество головок цилиндров OEM (производителей оригинального оборудования) изготавливаются из чугуна. Этот материал обеспечивает долговечность продукта при меньшей стоимости производства. Чугунные вариации под автомобильные моторы традиционно отличаются повышенными весовыми параметрами.

Между тем практически все варианты эксплуатации автомобильных моторов отмечаются таким фактором, когда меньшая весовая составляющая даёт лучший результат. Меньшее весовое сопротивление автомобиля выгодно на старте, а машины с курсом трассы / кольцевым треком, получают лучшее распределение веса. Ещё одним недостатком чугуна видится низкая способность рассеивания тепла.

TFL SCX10

Головка цилиндров автомобиля - вариант чугунного исполнения
Один из многочисленных примеров исполнения чугунной головки блока цилиндров автомобильного мотора с патрубками прямоугольной формы

В тепловом смысле лучше чугуна рассеивает нагрев другой металл — алюминий. Хорошим отводом тепла обеспечивается более высокая степень сжатия, исключается детонация. Поэтому чугунное изделие видится приемлемым материалом лишь для бюджетного автомобиля.

Варианты производительности чугунных головок блоков цилиндров, которые включают клапаны большего размера и конструкции с увеличенным расходом, ограничены, как правило, использованием на уличных автомобилях с низким коэффициентом сжатия.

Алюминиевые моторные головки блока цилиндров

Алюминий, как уже отмечалось, обеспечивает значительное преимущество по весовому критерию относительно чугунных изделий. Поскольку значительное число автомобилей с высокими эксплуатационными характеристиками выигрывают от снижения веса, многие владельцы машин предпочитают ставить алюминиевые головки цилиндров на моторе.

Существует масса компаний производителей алюминиевых головок блоков цилиндров с высокими эксплуатационными характеристиками, предназначенными для внутригородских уличных и трассовых применений.

Современные алюминиевые сплавы отмечаются увеличенной долговечностью и устойчивостью к деформации. Большинство производителей предлагают различные конфигурации алюминиевых изделий в зависимости от потребностей владельца авто.

НАБОР ПРОФИ

Головка цилиндров автомобильного мотора - алюминиевый вариант
Вариант изготовления на основе алюминия даёт улучшенные параметры по весу. К тому же алюминиевая конструкция более эффективно работает в плане отведения излишнего тепла

Львиная доля производителей выпускает необработанное или обработанное литьё. Такие вариации дают возможность конечному пользователю завершить задуманный вариант по личным спецификациям или просто поставить купленную головку блока цилиндров, ограничившись действиями закрепления болтами.

Термины головки цилиндров на заметку

Текущий обзор, однако, заставляет выражаться относительно. Автомобильные двигатели малого кубического объёма обычно требуют меньших измерений для всех компонентов, по сравнению с автомобильными двигателями большого кубического объёма.

Так, клапаны обычно имеют меньший размер у малых моторов, чем клапаны, используемые внутри больших моторов. Объём двигателя автомобиля напрямую связан с техническими характеристиками головки цилиндров и размерами отдельных компонентов.

Проще выражаясь: когда мощность автомобильного мотора увеличивается, пропорционально возрастает потребность больших объёмов воздуха, поступающего в мотор с последующим выводом наружу.

Камера сгорания – технические критерии

Размер камеры сгорания частично определяет компрессию и объём двигателя авто. Большего размера камера сгорания увеличивает рабочий объём цилиндра. Предполагая неизменными настройки мотора, замена головок цилиндров с меньшей камерой сгорания увеличит сжатие.

Поскольку сжимается одинаковое количество воздушно-топливной смеси в условиях  меньшего пространства, общая степень сжатия увеличивается. Соответственно, увеличение камеры сгорания даст противоположный эффект — меньшую степень сжатия воздушно-топливной смеси.

Форма и размер впускного отверстия

На автомобильных головках блоков цилиндров имеются направляющие впускного отверстия, через которые проходит топливо и воздух, прежде чем попадают в камеру сгорания. Так, для 16-клапанного двигателя V8 каждая головка цилиндра имеет 4 входных (впускных) отверстия и 4 выходных (выпускных) отверстия. Каждое отверстие соответствует впускному или выпускному клапанам.

АВТОМОБИЛЬНЫЙ

Головки цилиндров двигателей автомобилей и вариации впускных отверстий
Распространённая конфигурация отверстий (впускных) под подачу воздуха/топлива внутрь камеры сгорания автомобильного мотора. Как видно, это круглая и прямоугольная вариации

Размер и форма впускных отверстий влияют на кривую крутящего момента и мощности. Большие отверстия, соответственно, пропускают больше. Обычно стараются подобрать типичное исполнение впускного отверстия к впускному коллектору с отверстиями аналогичной формы.

Ограничения или неправильное расположение отверстий в этом соединении изменят поток воздуха и топлива, что скажется на производительности мотора. Одна из основных проблем заключается в том, что многие стремятся создать хорошее уплотнение между головками цилиндров и впускным коллектором, чтобы избежать утечек охлаждающей жидкости. Тем самым нарушают конфигурацию соединения.

Используются в основном два типа отверстий:

  1. Овальные отверстия, соответственно, имеющие овальную форму. Однако существующая форма, как правило, не является точным овалом.
  2. Отверстия прямоугольной формы, которые также не являются точными прямоугольниками. Фактор прямого угла, в основном, определяется наличием угловых элементов, немного закруглённых.

Пропускная характеристика впускного канала

Больший объём впускного канала обеспечивает пропускание большего количества воздуха и топлива. Однако увеличение объёма «туннеля» (патрубка) замедляет скорость движения газов в момент прохождения. Небольшие по объёму впускные патрубки:

  • ускорят поток газов,
  • увеличат реакцию дросселя,
  • увеличат крутящий момент.

Соответственно, для создания «волшебной» комбинации необходима головка цилиндров с обеспечением оптимального потока скорости воздуха и топлива.

 

Чем больше объём автомобильного двигателя, тем больше впускные отверстия головки блока цилиндров. Чем больше впускные отверстия, тем выше диапазон мощности мотора.

Если имеется желание нарастить мощность двигателя под уличное движение, чрезмерное увеличение впуска неприемлемо (высокая мощность при малых оборотах). Здесь лучше выбрать вариант с меньшими отверстиями, благодаря чему достигается рост мощности на более низких оборотах.

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.

СКАНЕРЫ

Головка цилиндров - распространённые формы выпускных отверстий
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.

ИНЖЕКТОРНЫЙ

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

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.

ИЗМЕРИТЕЛЬ

Выпускной клапан головки цилиндра мотора автомобиля
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.

Как выбрать головку цилиндров под конкретный вариант?

Лучшим предложением по выбору в целом видится консервативный подход. Например, головка цилиндра с большими впускными клапанами явно не подходит к уличной езде на малых оборотах двигателя. Такой выбор приведёт к значительным потерям крутящего момента, что не отвечает ни потребностям предполагаемого назначения, ни оптимальным условиям работы двигателя.

Выбирать также логично конфигурацию, которая соответствует тому принципу езды на автомобиле, которого обычно придерживается владелец машины. Кроме того, если выбирается головка цилиндров автомобиля в сборе, следует убедиться, что пружины, входящие в комплект, соответствуют конфигурации установленного распределительного вала.