Головка блока цилиндров (ГБЦ)


Головка блока цилиндров – верхняя часть двигателя, располагающаяся над блоком цилиндров. В зависимости от конструкции двигателя она может выполнять разное число функций: в типовых современных двигателях она закрывает верхние части цилиндров, формируя камеру сгорания, а также содержит в себе каналы для масла и охлаждающей жидкости и основную часть газораспределительного механизмараспределительный вал (один или два), впускные и выпускные клапаны , впускные и выпускные каналы, а во многих случаях – свечи зажигания и топливные форсунки. В некоторых случаях ГБЦ не просто формирует верхнюю крышку камеры сгорания, но также имеет свою часть этой камеры или специальные камеры впрыска – форкамеры или вихревые камеры.

 

Пример внешнего вида ГБЦ современного двигателя. На картинке показан вид снизу: хорошо видны клапаны, которыми ГБЦ обращена к блоку цилиндров, и отверстия каналов охлаждения и смазки

 

Поскольку в камере сгорания при работе двигателя создается большое давление, головка блока цилиндров должна быть плотно притянута к блоку цилиндров. Для обеспечения герметичности их соединения между ними устанавливается прокладка ГБЦ, а головка по всей длине равномерно крепится к блоку большим количеством болтов.

 

Пример крепления ГБЦ двигателя ВАЗ: стрелками на картинке обозначены болты крепления ГБЦ к блоку цилиндров

 

Материал изготовления ГБЦ может быть различным: современные головки в большинстве своем изготавливаются из алюминия, но существуют и стальные, и чугунные ГБЦ. Основные преимущества алюминия – меньший вес и хорошее теплораспределение, однако алюминиевые головки несколько уступают стальным и чугунным по прочности и надежности.

 

Прокладка ГБЦ рядного четырехцилиндрового мотора

 

ГБЦ современного мотора, в которой располагается клапанный механизм, сверху прикрыта специальной клапанной крышкой. Клапанная крышка прикрывает клапанный механизм, а съемной она сделана для обеспечения доступа к клапанному механизму для его ремонта и обслуживания – например, для так называемой регулировки клапанов, когда регулируется величина зазора между кулачком распредвала и приводом клапана. Как и поверхность между ГБЦ и блоком цилиндров, поверхность на стыке ГБЦ и клапанной крышки уплотняется специальной прокладкой.

 

ГБЦ двигателя V8 со снятой клапанной крышкой. Хорошо виден механизм привода клапанов

 

Сколько ГБЦ может быть у двигателя?

 

Число головок блока цилиндров может быть различным в зависимости от конфигурации двигателя. К примеру, рядные моторы имеют одну ГБЦ, VR-образные тоже обходятся одной головкой, а вот V-образные, W-образные и оппозитные моторы в силу своей конструкции обязательно предполагают наличие двух головок блока цилиндров. Причины ясны: в них цилиндры (и поршни в них) расположены под углом друг к другу, и верхние части камер сгорания значительно удалены друг от друга (в оппозитах – буквально на противоположную сторону мотора), поэтому каждая из групп цилиндров имеет свою ГБЦ.

 

Пример внешнего вида двигателя V8: хорошо виден единый блок цилиндров и две установленные на нем ГБЦ

 

Более экзотичные варианты – это радиальные моторы и тяжелая техника. В радиальных моторах – таких, где цилиндры отходят в стороны от коленвала, образуя «звезду» – число ГБЦ соответствует числу цилиндров, то есть, у каждого цилиндра имеется своя индивидуальная головка. Звездообразные двигатели широко использовались в авиации – такой можно увидеть на самолетах с носовым пропеллером.

 

Радиальный двигатель в разрезе: хорошо видна индивидуальная ГБЦ для каждого цилиндра

 

Схема с индивидуальными головками блока для каждого цилиндра также применяется в моторах огромного объема для тяжелой техники – например, гигантских дизелей, используемых в судостроении, карьерных грузовиках, железнодорожных локомотивах и так далее. Такие двигатели, как правило, имеют обычную рядную компоновку, но использование индивидуальных ГБЦ для каждого цилиндра оправдано с точки зрения ремонта и обслуживания: для проведения этих работ гораздо проще и дешевле снять одну головку меньшего размера, нежели демонтировать огромную общую ГБЦ целиком. Кроме того, такая схема позволяет строить двигатели с разным числом цилиндров (и, соответственно, рабочим объемом и мощностью), не меняя конструкцию ГБЦ.

 

Огромный судовой двигатель

 

Тюнинг ГБЦ

 

Поскольку головка блока цилиндров современного мотора имеет множество функциональных ролей, содержа в себе ГРМ, часть впускного и выпускного тракта, часть системы впрыска и зажигания, она зачастую подвергается тюнингу.

Основные доработки самой ГБЦ обычно касаются оптимизации диаметра, формы и поверхности каналов, особенно впускных. Правильная форма канала минимизирует завихрения и улучшает наполняемость цилиндра, а увеличение диаметра канала позволяет увеличить объем подаваемого воздуха или топливовоздушной смеси. Однако стоит понимать, что в случае увеличения диаметра впускного канала при неизменности остальных параметров мотора падает скорость потока, что негативно сказывается на наполняемости цилиндра и характеристиках мотора на низких и средних оборотах. Таким образом, увеличение диаметра впускного канала должно сопровождаться увеличением объема подаваемого воздуха (к примеру, за счет повышения давления наддува турбины).

 

Доработанные каналы ГБЦ

 

Еще одна характеристика мотора, которую можно изменись за счет доработки ГБЦ – это степень сжатия. Поскольку ГБЦ является верхней частью камеры сгорания, сточив ее нижнюю часть, можно уменьшить объем камеры сгорания и увеличить тем самым степень сжатия в цилиндре. Подобные методики применяются, к примеру, для адаптации старых моторов с низкой степенью сжатия, рассчитанных на применение низкооктанового бензина (АИ-80, АИ-76 и ниже), к наиболее распространенному сегодня АИ-92.

 

Конструкции ГБЦ в зависимости от типа конструкции двигателя

 

Как было сказано в начале, конструкция ГБЦ может различаться в зависимости от конструкции мотора, на котором она установлена. Простейшие ГБЦ на моторах типа Flathead представляют собой металлическую пластину с резьбовыми отверстиями для установки свечей зажигания. Однако по мере совершенствования ДВС возникла необходимость переноса распределительного вала и клапанного механизма в головку блока цилиндров, и в результате большинство современных моторов имеет именно такую конструкцию. Впрочем, верхнеклапанные нижневальные моторы большого объема до сих пор встречаются в американских автомобилях. Мы рассмотрим различные конструкции ГБЦ в зависимости от конструкции двигателя.

 

ГБЦ нижнеклапанного нижневального двигателя

 

Конструкция нижнеклапанного нижневального двигателя предполагает расположение распредвала в блоке цилиндров, неподалеку от коленвала, и привод первого от второго при помощи шестерней. Клапаны при этом приводятся от распредвала толкателями и расположены тарелками вверх, а впуск и выпуск подходят к цилиндру сбоку (отсюда и одно из англоязычных названий таких моторов – side-valve engine, что значит «двигатель с боковым расположением клапанов»).

 

 

Таким образом, и кривошипно-шатунный механизм, и газораспределительный механизм расположены в блоке (и рядом с ним), а в верхней части цилиндра могла располагаться только свеча зажигания. Соответственно, и ГБЦ такого мотора была простейшей пластиной (к этому нас отсылает другое англоязычное название таких моторов – Flathead, то есть «плоскоголовые»), в которой при необходимости имелись резьбовые отверстия для установки свечей зажигания.

Следующей ступенью развития нижневальных моторов стали двигатели со смешанным расположением клапанов: в них впускные клапаны с приводом перенесли наверх, в головку блока цилиндров, а выпускные оставили без изменения. Такая конструкция получила название F-head, так как поршень и клапаны отчасти напоминали по расположению букву F. Привод впускных клапанов осуществлялся через качающиеся коромысла. Таким образом, конструкция ГБЦ усложнилась: вместо простой пластины она стала представлять собой плиту с механизмом привода впускных клапанов и, как и ранее, разъемом под установку свечей зажигания.

 

ГБЦ верхнеклапанного нижневального двигателя

 

Следующим этапом развития моторов после нижнеклапанных нижневальных стали верхнеклапанные нижневальные: то есть, распредвал в них, как и ранее, располагался в блоке цилиндров, приводясь от коленвала шестеренчатым механизмом, а вот клапаны перебрались наверх, в головку блока цилиндров. Разумеется, это повлекло заметное усложнение ее конструкции – из пластины с отверстиями под свечи зажигания она превратилась в полноценный блок с каналами для смазки и охлаждения, а также впускными и выпускными каналами, по которым подавалась топливовоздушная смесь и отводились отработавшие газы.

 

 

Поскольку привод клапанов от распредвала осуществлялся через штанги-толкатели и коромысла, то конструкция ГБЦ такого мотора предполагала расположение этих коромысел и собственно клапанного механизма внутри нее.

 

ГБЦ верхнеклапанного верхневального двигателя

 

Головка блока цилиндров современного двигателя в подавляющем большинстве случаев выглядит именно так: в верхнеклапанной верхневальной схеме и распредвал, и клапанный механизм находятся в ГБЦ. Эта схема является наиболее современной и может иметь несколько вариантов реализации.
В самых простых вариантах ГБЦ помимо каналов впуска-выпуска, смазки и охлаждающей жидкости содержит в себе один распределительный вал и по два клапана на каждый цилиндр. Привод клапанов, в свою очередь, тоже может быть разным – напрямую от распредвала либо через коромысла-толкатели или гидрокомпенсаторы, которые регулируют зазор между кулачком распредвала и головкой клапана.

 

 

Более продвинутые варианты ГБЦ предполагают наличие четырех клапанов на цилиндр, а также наличие двух распредвалов, один из которых управляет впускными клапанами, а другой – выпускными. Однако, несмотря на это увеличение числа рабочих элементов, функционал и принципиальное устройство ГБЦ остается тем же.

KnowCar - понятная энциклопедия по устройству автомобилей, где сложное описано простым языком, с иллюстрациями и видео, а статьи рассортированы по разделам. Энциклопедия в процессе наполнения. Если есть вопросы или предложения, свяжитесь с командой. Все контактные данные - внизу сайта.