ГБЦ — что это такое в машине
Основные функции ГБЦ
От простого к сложному
Первые головки блока были больше похожи на то, что сейчас называется клапанной крышкой, только потолще и покрепче. С тех пор ситуация сильно изменилась. Что такое ГБЦ в автомобиле современной конструкции, можно узнать, обратившись немного к истории вопроса.
Нижнеклапанные и двухтактные
Эти двигатели не отличаются принципиальной сложностью, поэтому их головки представляли собой просто плиту, которой накрывался блок цилиндров. Напротив каждого поршня в плите размещались резьбовые отверстия для свечей зажигания. Все каналы впуска и выпуска, клапаны ГРМ, камера сгорания, включались в состав блока. Единственное занятие ГБЦ заключалось в отводе тепла, для чего в ней были сделаны водяные протоки или отливались рёбра воздушного охлаждения.
Двухтактным двигателям простота головок не мешала, а вот наличие клапанного механизма в четырёхтактниках при таком расположении и простоте головок резко ограничивало повышение мощностных показателей, разве что помочь могло наличие нагнетателя, поэтому клапаны просто просили конструкторов перенести их в состав ГБЦ.
Верхние клапаны со штанговым приводом
Сначала один, а потом и оба клапана были перенесены вверх, что позволило существенно улучшить способности двигателей. При этом головка уже начала походить на то, что мы имеем сейчас. В ней сформировались газовые каналы, появился распределительный механизм, хотя привод клапанов по-прежнему осуществлялся от расположенного внизу распредвала через разной длины штанги. Иногда их удавалось сделать короткими, но чаще они были такими, что на больших оборотах порождали вибрацию. Это снижало быстроходность двигателей.
OHC и DOHC
Радикально все вопросы были решены с переносом в головку ещё и распределительных валов. Иногда он был один, это работало в случаях применения двух или трёх клапанов на цилиндр, но добиться реально хорошего наполнения цилиндров позволила лишь система DOHC, что означает наличие двух распредвалов в головке блока и минимум четырёх клапанов на цилиндр. Плотная упаковка открывающихся клапанами проходных отверстий для газообмена в камере сгорания, которая теперь тоже была большей частью размещена в ГБЦ, позволяла максимально открыть отверстия большой площади для быстрого удаления отработанных газов и получения свежей порции горючей смеси.
Конструктивное исполнение
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.
О прокладке
Прокладка головки блока расположена на самом главном стыке двух массивных деталей двигателя, и с точки зрения техники её герметичность обеспечить достаточно сложно. Детали могут неравномерно нагреваться, стык при этом подвержен короблению, края прокладки расположены в огневой зоне надпоршневого пространства, через тот же стык проходят каналы масла и охлаждающей жидкости.
Поэтому прокладку изготавливают или из специального термостойкого материала с металлической окантовкой отверстий, или в последнее время просто из тонкого листового металла в несколько слоёв. Особо снобистские конструкции вообще лишены прокладки, настолько точно там подгоняются поверхности.
Прокладка обладает строго регламентированной толщиной в сжатом состоянии, поскольку от этого зависит степень сжатия двигателя. Иногда предусматриваются ремонтные размеры, необходимые если головка или блок подвергались выравнивающей шлифовке при ремонте двигателя.
Возможные проблемы и ремонт
Чаще всего головку приходится снимать из-за повреждений прокладки. По разным причинам:
В сложных двигателях причин для демонтажа гораздо больше. Все детали, установленные в головках, имеют свой ресурс, он и так невелик в современных моторах, да ещё и проблема усугубляется применением некачественных рабочих жидкостей и их несвоевременной заменой:
Снимать ГБЦ нужно не только при её неисправностях, но и при любом значительном ремонте двигателя. При этом обязательно производится и ремонт головки, хотя бы в профилактических целях. Обычно заменяются или притираются клапаны, меняются уплотнения их стеблей, регулируются тепловые зазоры. Перед установкой надо проверить сохранность нижней плоскости ГБЦ и при необходимости прошлифовать. То же касается и ответной части разъёма — привалочной плоскости блока цилиндров. Если всё выполнять правильно, то надёжность работы узла позволит владельцу не задумываться над вопросом: ГБЦ, что это такое в машине, по крайней мере, до капитального ремонта двигателя в целом.
Головка блока цилиндров ГБЦ
Любой мотор имеет сложную структуру, каждый элемент которой необходим для выполнения определенной задачи. Один из таких элементов – головка блока цилиндра.
ГБЦ является главным узлом в любом автомобиле или мотоцикле. Устройство необходимо для того, чтобы контролировать в двигателе внутреннего сгорания вывод газов. По своей природе головка блока цилиндров является крышкой, закрывающей сам блок. Крышка гбц создаётся из алюминиевых сплавов, также она может быть изготовлена из чугуна. На производстве головку блока цилиндров подвергают процессу искусственного старения. Количество ГБЦ напрямую зависит от типа ДВС, если он V-образного типа, на каждый ряд используется отдельная головка.
Работа гбц очень сильно зависит от степени уплотненности головки с блоком цилиндров. Этим объясняется то, что верхняя часть этой детали немного уже, в сравнении с нижней. Уплотнительная прокладка располагается между головкой и самим блоком цилиндров.
Установка и фиксирование головки цилиндров осуществляется при помощи штифтов, которые предназначены для закрепления детали. Правильность монтажа сильно влияет на дальнейшую работу ГБЦ. Для каждого транспортного средства в инструкции указан свой регламент. По этой причине не стоит заимствовать схему монтажа головки с иномарки для машины отечественного производства. Не стоит забывать о том, что штифты имеют определенный порядок затяжки, вместе с этим указан требуемый момент закручивания. Для правильной установки головки блока цилиндра используется специальный инструмент – динамометрический ключ.
При установке и затяжке ГБЦ следует в первую очередь опираться на инструкцию по установке, а не грубую физическую силу. Если перетянуть головку цилиндра – возможно повреждение уплотнительной прокладки, масляного канала ГБЦ и других, не менее важных составляющих этой системы. Например, головка в цилиндрах может треснуть, измениться в размерах, от работы этого элемента зависит вся работа двигателя, и как следствие, транспортного средства в целом.
Особенности конструкции
Конструкция головки цилиндров не такая простая, какой кажется на первый взгляд. Ниже будут описаны все составляющие этой детали.
В настоящее время все элементы головки блока цилиндра изготавливаются из алюминиевых сплавов, раньше для этой же цели использовали легированный чугун. Некоторые транспортные средства до сих пор оснащены чугунной головкой цилиндров. Объясняется это тем, что чугун наиболее оправдан для очень высоких или очень низких температур. Алюминиевые сплавы наиболее подвержены деформации из-за перепада температур. Размеры ГБЦ во время работы двигателя изменяются из-за повышенной температуры.
ГБЦ состоит из следующих элементов.
Следует рассказать более подробно о каждом из этих элементов. Клапаны ГБЦ находятся в 1 ряду, каждый из которых наклонён к цилиндрам на двадцать градусов. В автомобилях последнего поколения может использовать несколько другой принцип устройства ГБЦ, но в целом, все примерно одинаково.
Более подробно стоит рассказать об уплотнительной прокладке, основа который это армированный асбест. Изготовление этого элемента именно из такого материала объясняется высокими температурами во время работы двигателя внутреннего сгорания, также на прокладку оказывается большое давление. Прокладка из армированного асбеста в состоянии обеспечить герметичность всех каналов и систем мотора.
Если разобрать переднюю часть этого устройства, то можно увидеть, что здесь располагается привод газораспределительного механизма вместе с натяжителем цепи. Камеры сгорания имеют тесный контакт с блоком, по этой причине их обрабатывают механическим путём. Объёмы камер для сжатия несколько меньше, чем размеры поршней. Объясняется это тем, что во время работы ДВС, в момент поднятия поршней, такая конструкция даёт возможность воздушным смесям закручиваться. В итоге улучшается сам процесс сгорания топлива.
На левом участке головки цилиндра располагаются отверстия для свеч зажигания, здесь же монтируются системы для опоры рычага, опорные шайбы. Наверху ГБЦ имеется крышка, которая крепится к остальному корпусу при помощи болтов.
В ГБЦ присутствуют несъёмные элементы. Седла клапанов, которые необходимы для герметичности газораспределительного механизма, здесь же находятся направляющие втулки. Следует принять к сведению, что эти элементы монтировались при помощи прессовки. То есть заменить их в домашних условиях невозможно, потребуется обращаться в сервисный центр или использовать специальное оборудование.
Некоторые автовладельцы пытаются заняться ремонтным работами ГБЦ самостоятельно, однако делать этого не рекомендуется, в противном случае возможны негативные последствия.
Ремонтные работы несъёмных элементов в домашних условиях могут привести к тому, что придётся приобретать новую ГБЦ. Никто не говорит, что грамотный специалист не сможет отремонтировать одну из этих деталей, однако сделать это получается далеко не всегда.
Диагностика и ТО
Рано или поздно любому механизму в транспортном средстве потребуется диагностика и техническое обслуживание, ГБЦ не является каким-либо исключением из правил. В этом вопросе главная задача владельца транспортного средства периодически заниматься диагностикой тех элементов, которые чаще всего выходят из строя.
Особое внимание следует уделить прокладке, если она износилась, рабочие жидкости могут смешиваться, что приведет к поломке двигателя. При попадании охладительной жидкости в рабочее масло, она будет бурлить. Со временем это приведет к невозможности запуска мотора. В этом случае главным сигналом будет датчик температуры, который покажет кипение ДВС. Оценить ситуацию можно также сняв свечи зажигания. Зачем необходимы ремонтные работы? Чаще всего демонтаж головки цилиндров избежать не удастся в следующих случаях.
Если понимать, к чему приведет каждый шаг, и иметь необходимые инструменты, можно заниматься ремонтными работами ГБЦ и в домашних условиях, однако даже самое высокотехнологичное оборудование в руках неопытного владельца не поможет исправить проблему.
Устройство ГБЦ
Двигатель внутреннего сгорания имеет сложную конструкцию, где каждый элемент отвечает за выполнение различных задач. Одним из таких элементов является головка блока цилиндров (ГБЦ).
ГБЦ смело можно назвать одним из ключевых узлов в мотоцикле или автомобиле. Это устройство контролирует вывод газов в двигателе внутреннего сгорания. Внешне ГБЦ представляет собой крышку, которая закрывает сам блок. Для ее изготовления используются алюминиевые сплавы или чугун.
Качественная работа головки блока цилиндров напрямую зависит от плотности прилегания самой ГБЦ к блоку цилиндров. Именно из-за этого верхняя часть данной детали является более узкой, чем нижняя. Между самим блоком и головкой находится уплотнительная прокладка. Фиксирование ГБЦ осуществляется с помощью штифтов.
Вся дальнейшая работа ГБЦ зависит от правильности монтажа. Каждый автомобиль имеет собственный регламент установки головки блока цилиндров. Поэтому важно использовать правильную инструкцию для каждого конкретного автомобиля. В ней указывается порядок затяжки штифтов и необходимый момент закручивания. Монтаж ГБЦ осуществляется с помощью динамометрического ключа.
Не следует применять грубую силу при установке ГБЦ – это может стать причиной повреждения масляного канала, уплотнительной прокладки и прочих элементов системы. Если головка будет деформирована, повреждена или установлена неправильно, это повлечет за собой нарушения в работе двигателя и всего транспортного средства.
Особенности конструкции ГБЦ
Для изготовления головки блока цилиндров сегодня применяются алюминиевые сплавы. Раньше распространенным материалом был легированный чугун.
Составляющими элементами ГБЦ являются:
Рассмотрим более подробно каждый из перечисленных выше элементов.
Клапаны ГБЦ располагаются в первом ряду. Наклон каждого из них к цилиндрам составляет 20˚. Современные иномарки имеют несколько иной принцип устройства ГБЦ, но конструкция все-равно является похожей.
Уплотнительная прокладка изготавливается из армированного асбеста. Этот материал хорошо выдерживает высокие температуры, которые возникают во время работы двигателей внутреннего сгорания. Также армированный асбест в состоянии выдержать высокое давление, обеспечивая герметичность конструкции мотора при различных нагрузках.
В передней части устройства располагается привод газораспределительного механизма и натяжитель цепи. Камеры сгорания располагаются близко к ним, поэтому взаимодействие с ними организовано механическим способом. Камеры для сжатия имеют в несколько раз меньший объем, чем сами поршни. Это позволяет воздушным смесям закручиваться в момент поднятия поршней в процессе работы двигателя. Таким образом процесс сгорания топлива улучшается.
На левой части головки цилиндра располагаются посадочные места для свечей зажигания. Сюда же монтируются системы для опоры рычага и опорные шайбы. Сверху ГБЦ есть крышка, которая фиксируется болтами к корпусу.
Несъемные детали в ГБЦ
Несъемные детали в ГБЦВ ГБЦ имеются несъемные части. В их числе – седла клапанов, которые отвечают за герметичность газораспределительного механизма. Важно учитывать, что сборка этих элементов происходила под воздействием пресса и выполнить их замену в домашних условиях невозможно. Ремонт можно выполнить только в сервисном центре и применением специализированного оборудования.
Многие владельцы авто пытаются самостоятельно выполнить ремонт ГБЦ, но лучше не делать этого, чтобы избежать серьезных проблем с транспортным средством.
Самостоятельный ремонт несъемных деталей ГБЦ может стать причиной поломки детали, что обернется еще более дорогостоящим ремонтом.
Головка цилиндров: деталь двигателя автомобиля и техническая роль
Главная страница » 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.
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.
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.
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:
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:
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.
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
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.
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.