2.1.4 Головка цилиндров

Назначение:

1. Совместно с цилиндром образует замкнутую надпоршневую полость , в которой протекают тепловые процессы рабочего цикла двигателя.

2. Служит для полного или частичного размещения камеры сгорания (КС), а также свечей зажигания или форсунок.

3. Служит для размещения клапанного механизма, а в современных двигателях и для размещения распределительного вала.

4. В головке размещаются каналы впуска воздуха или горячей смеси, каналы для выпуска ОГ, а также каналы системы охлаждения.

5. Служит для навесного крепления впускного и выпускного трубопроводов, а также вспомогательного оборудования двигателей.

Условия работы

1. Переменные давления от горячих газов в надпоршневой полости, которым головка подвержена в большей степени, чем стенки цилиндров.

2. Высокие температуры, которым головка в большей степени подвержена , чем стенки цилиндра.(более 350С).

3. Напряжения от затяжки силовых шпилек.

4. Напряжение от различных коэффициентов теплового расширения сопрягаемых деталей, а также температурные напряжения от неравномерного нагревания по объему (последние могут даже превысить механическое напряжения).

Градиенты температур по толщине и на плоскости КС могут соответственно достигать 8-10К/мм и 6-8К/мм. Перепады температур между отдельными точками головки достигают 150 С.

Требования

1. Обеспечение требуемой формы КС.

2. Обеспечение эффективного охлаждения стенок КС и выпускных каналов.

3. Обеспечение необходимой формы впускных каналов.

4. Обеспечение надежности газового стыка (высокая жесткость + обработка).

5. Технологичность конструкции.

6. Обеспечение допустимого уровня деформации при затяжке болтов и во время работы.

Конструкция и материалы

Головки для АТД чаще выполняют общими для всех цилиндров, образующих ряд, или для групп цилиндров или отдельных цилиндров (двигатели с ВО), двигатели КАМАЗ). Первый вариант обеспечивает более жесткую конструкцию, но возникают трудности с равномерным уплотнением газового стыка. При индивидуальных головках обеспечивается надежное уплотнение, но снижается жесткость конструкции.

В двигателях воздушного охлаждения (ВО) применяются только индивидуальные головки цилиндров с интенсивным оребрением.

В качестве материалов головок в основном используют алюминиевые сплавы (литейные) АЛ5, АЛ9, АЛ4 или легированный чугун. Максимальные температуры в головках из алюминиевых сплавах не превышают 200С, перепады температур до 60С и градиенты температур 1,5...2,0 К/мм. В этих условиях благодаря более высокой теплопроводности, снижается также температура клапанов, их седел, а также свечей зажигания или форсунок.

В ДсИЗ применение таких головок при высоких степенях сжатия снижает подогрев свежего заряда, снижает температуру порций заряда, до которых пламя доходит в последнюю очередь, обеспечивая тем самым работу без детонации.

Конструкция головки цилиндров зависит от:  формы камеры сгорания (КС);  расположения клапанов;  расположения свечей или форсунок;  расположение наружных трубопроводов;  направление потоков ОЖ (последние организуются таким образом, чтобы в первую очередь осуществлялось охлаждение наиболее нагретых деталей, в частности, выпускных клапанов).

В бензиновых ДВС при верхнем расположении клапанов используются следующие типы КС:

 сферические и полусферические КС с двусторонним расположением клапанов (один впускной и один выпускной, УЗАМ331);

 клиновые или полуклиновые КС (все двигатели ВАЗ и др.);

 шатровые КС с центральным расположением свечи и односторонним расположением клапанов;

 шатровые КС с центральным расположением свечи и двусторонним расположением клапанов (2 впускных и 2 выпускных, ЗМЗ 406.10);

 плоскоовальные КС (двигатели ЗМЗ-24);  камера в поршне (в последнем случае обеспечивается наиболее простая форма головки блока).

В дизелях наиболее простая форма головки получается при объемном смесеобразовании, когда КС выполняется в поршне. При разделенных КС, когда одна её часть располагается в головке блока цилиндров, а другая – в поршне (к ним относятся вихревые КС и предкамеры), конструкция головки резко усложняется. В канале, соединяющем часть КС, находящуюся в головке блока, и часть КС, расположенную в поршне, используются специальные теплоизолированные вставки между КС и цилиндром. Это приводит к высокой тепловой напряжённости перемычек между клапанами.

Для всех головок из алюминиевых сплавов применяются вставные седла под клапан, а иногда и под форсунки, которые изготовляют из жаростойкого чугуна или легированной стали, имеющих высокий коэффициент линейного расширения. В двигателях с ВО такие вставки делают и для свечей зажигания.

Форма впускных клапанов в головках должна обеспечивать интенсивное вращение воздушного заряда и его турбулизацию, что достигается применением винтовых или тангенциальных каналов. Выпускные клапаны должны иметь минимальную длину для уменьшения нагрева; они выводятся с противоположной по отношению к впускным каналам стороны головки блока.

Потоки жидкости в двигателях с ЖО должны обеспечивать интенсивный отвод тепла от седла и направляющей втулки выпускного клапана, а также обеспечивать эффективное охлаждение стенок КС.

Свечи зажигания в двигателях с ИЗ также ввертываются в бобышки головки, которые должны со всех сторон омываться жидкостью. При ограниченном теплоотводе бобышки выполняются массивными.