Головка блока цилиндров: самое важное об устройстве, эксплуатации и неисправностях

Блок цилиндров можно без сомнений назвать сердцем двигателя внутреннего сгорания. А важнейшим элементом блока цилиндров являются т.н. головка. Она имеет еще одно короткое и наиболее употребляемое название: ГБЦ. Хоть головка блока цилиндров и является для блока цилиндров своеобразной крышкой, в ее конструкции есть множество особенностей. Нельзя не рассказать и об используемых материалах. Разберемся же в том, что представляют собой ГБЦ, каково ее назначение, из каких элементов она состоит и какие может иметь неисправности.

Двигатель и какое место в нем занимает головка блока цилиндров

Для того, чтобы говорить об особенностях ГБЦ, стоит коротко рассмотреть принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Суть работы двигателя в том, чтобы преобразовать энергию, получаемую от сгорания топлива, в механическую работу. В автомобилях нашли применение поршневые двигатели, в которых возвратно-поступательное движение поршней при помощи т.н. кривошипно-шатунного механизма преобразуется уже во вращение. Исходя из особенностей современных двигателей внутреннего сгорания, головка блока цилиндров обязана включать следующие элементы:

1. Места под форсунки или же свечи зажигания;
2. Седла клапанов и их направляющие элементы;
3. Камеру сгорания;
4. Смазочные каналы;
5. Площадку для монтажа газораспределительного механизма и его привода;
6. Рубашку охлаждения.

Отдельно также стоит выделить крышку ГБЦ, выполняющую роль защиты от механических воздействий, а также специальную прокладку, обеспечивающую герметичное прилегание головки блока цилиндров. Крышка может быть штампованной металлической или же пластиковой. Она имеет маслозаливную горловину и пробку. Сама головка блока может выполняться из двух материалов, о чем мы расскажем чуть позже. А пока что отметим, что материал крайне важен, ведь от его характеристик будет зависеть то, как долго ГБЦ сможет эксплуатироваться.

В автомобилях с однорядными двигателями ГБЦ устроена относительно просто и включает лишь одну часть. В более сложных V-образных моторах головка включает несколько частей под отдельные ряда цилиндров. В обоих случаях ГБЦ крепится к блоку цилиндров специальными шпильками и болтами. Процедура монтажа головки весьма сложна и предусматривает использование динамометрического ключа, а также требует четкого соблюдения технологии — болты затягиваются с заданным автоконцерном усилием и в четкой последовательности (от центральных к крайним). Вышеупомянутая прокладка ГБЦ не только уплотняет место прилегания, но также защищает силовой агрегат от внутреннего давления и утечек масла. К слову, эта прокладка по факту является одноразовой — если ГБЦ пришлось снять, то устанавливать ее на место придется уже с новой прокладкой.

Устройство ГБЦ и ее функциональное назначение

ГБЦ, в соответствии со своим названием, находится в верхней части мотора. По сути это корпус, в котором монтируются детали газораспределительного механизма (ГРМ), управляющего впуском воздушно-топливной смеси в цилиндры и выпуском отработанных газов. В головке располагаются верхние части камер сгорания. В ней имеются отверстия с резьбой для вкручивания свечей зажигания и форсунок, а также отверстия для подсоединения впускного и выпускного коллектора.

Для циркуляции охлаждающей жидкости служат специальные каналы (так называемая рубашка охлаждения). Снабжение смазкой осуществляется по масляным каналам.

Кроме того, здесь предусмотрены посадочные места для клапанов с пружинами и приводными элементами. В простейшем случае на каждый цилиндр приходится по два клапана (впускной и выпускной), но их может быть и больше. Дополнительные впускные клапаны дают возможность увеличить общую площадь сечения, а также уменьшить динамические нагрузки. А за счет дополнительных выпускных клапанов можно улучшить теплоотвод.

Посадочное гнездо клапана (седло), изготовленное из бронзы, чугуна или жаропрочной стали, запрессовывается в корпус ГБЦ либо может выполняться в самой головке.

Точность посадки клапанов обеспечивают направляющие втулки. Материалом для их изготовления может быть чугун, бронза, металлокерамика.

Головка клапана имеет конусообразную фаску, сделанную под углом 30 или 45 градусов. Эта фаска является рабочей поверхностью клапана и прилегает к фаске седла клапана. Обе фаски тщательно обрабатываются и притираются для плотного прилегания.

Для надежного закрывания клапана служит пружина, которая производится из легированной стали с последующей специальной обработкой. Величина ее предварительной затяжки существенно влияет на параметры работы мотора.

Управляет открыванием / закрыванием клапанов распределительный вал. На нем имеется по два кулачка на каждый цилиндр (один для впускного, другой для выпускного клапана). Хотя возможны и другие варианты, в том числе наличие двух распредвалов, один из которых управляет впуском, другой — выпуском. В двигателях современных легковых автомобилей чаще всего применяется именно два распредвала, установленных сверху, а количество клапанов составляет 4 на каждый цилиндр.

В качестве приводного механизма управления клапанами применяются рычаги (коромысла, рокеры) или толкатели в виде коротких цилиндров. В последнем варианте зазор в приводе автоматически регулируется с помощью гидрокомпенсаторов, что повышает их надежность и продлевает срок службы.

Нижняя поверхность ГБЦ, которая прилегает к блоку цилиндров, делается ровной и тщательно обрабатывается. Чтобы исключить попадание антифриза в систему смазки или моторного масла в систему охлаждения, а также проникновение этих рабочих жидкостей в камеру сгорания, между головкой и блоком цилиндра при монтаже устанавливается специальная прокладка. Она может быть изготовлена из асбестокаучукового композитного материала (паронит), из меди или стали с полимерными прослойками. Такая прокладка обеспечивает высокую степень герметичности, не дает смешиваться рабочим жидкостям систем смазки и охлаждения, изолирует друг от друга цилиндры.

К блоку цилиндров головка крепится при помощи болтов или шпилек с гайками. К затяжке болтов нужно подходить очень ответственно. Ее следует производить в строгом соответствии с указаниями автопроизводителя по определенной схеме, которая может отличаться у разных двигателей. Обязательно нужно использовать динамометрический ключ и соблюдать установленный момент затяжки, который должен быть указан в инструкции по ремонту.

Несоблюдение процедуры приведет к нарушению герметичности, пробою прокладки ГБЦ, выходу газов через стык, снижению компрессии в цилиндрах, нарушению изоляции друг от друга каналов систем смазки и охлаждения. Все это проявится нестабильной работой двигателя, потерей мощности, перерасходом горючего. Как минимум придется менять прокладку, моторное масло и антифриз с промывкой систем. Возможны и более серьезные неприятности вплоть до необходимости серьезного ремонта двигателя.

Необходимо помнить, что прокладка ГБЦ не годится для повторной установки. Если головка снимается, прокладку необходимо обязательно заменить, независимо от ее состояния. То же касается и болтов крепления.

Сверху ГБЦ закрывается защитной крышкой (ее еще называют клапанной крышкой) с резиновым уплотнением. Она может быть изготовлена из листовой стали, алюминия или пластика. В крышке обычно имеется горловина для заливки моторного масла. Здесь также нужно соблюдать определенные моменты затяжки при закручивании болтов крепления и менять уплотнительную резину при каждом вскрытии крышки.

Материалы головки блока цилиндров

В двигателях с внутренним образованием горючей смеси ГБЦ имеют отверстия под форсунки, а в двигателях с внешним смесееобразованием — свечи зажигания. Сама головка также имеет клапанный механизм, служащий для впуска рабочего тела (топливной смеси) в цилиндры, а также для выпуска уже отработавших газов. Все это означает, что ГБЦ эксплуатируется в условиях повышенного давления, температуры, а также при непосредственном контакте с химически агрессивной средой. Вследствие этого предъявляются высокие требования к материалам, из которых головка будет изготовлена. В автомобильной индустрии нашли применение два материала:

• Алюминий. Это довольно легкий и относительно дешевый материал. Алюминиевые сплавы обладают высокой теплопроводностью. В стенках головок из алюминия наблюдается невысокая тепловая напряженность, что позволяет им работать даже при очень высоких степенях сжатия без детонаций. Двигатели с алюминиевыми ГБЦ легче, имеют высокие экономические и мощностные показатели;
• Чугун. Выделяет серый или легированный чугун. Оба сплава отличаются высокой плотностью, а значит большой массой, но вместе с тем и высокой прочностью и жаростойкостью. Чугун вдвое тяжелее алюминия и при этом подвержен коррозии. Наиболее широкое применение чугунные ГБЦ находят в транспорте тракторного типа, хотя в легковых автомобилях чугунные детали тоже применяются.

Запчасти на Mazda 2

Амортизатор передний правый
2 hatchback (DY) (01.03 — 07)

Запчасти на Hafei princip

Жидкость омывателя лобового стекла PRINCIP 5 sedan (06 — )
В отдельных случаях высокую теплопроводность алюминия пытаются комбинировать с жаростойкостью чугуна. Например, в дизельных двигателях с воздушных охлаждением. В них основание ГБЦ и выпускных клапанов выполняется из чугуна, после чего заливаются алюминиевым сплавом. Такие двигатели имеют хороший теплоотвод, а имеющаяся головка блока цилиндров меньше деформируется при чередовании нагрева и охлаждения. В случае форсированного дизеля, работающего в условиях высокой тепловой напряженности, ГБЦ изготавливают с применением алюминиевых сплавов.

Коротко о типах головок блока цилиндров

В зависимости от общей конструкции двигателя выделяет типы ГБЦ. Всего их четыре. Они отличаются по конструктивному исполнению, а также по расположению камер сгорания, типу ГРМ и некоторыми другим особенностям. Касательно конструктивных исполнений:

1. Одна головка для цилиндров в т.н. рядных двигателях;
2. Общие головки под ряд цилиндров в ДВС V-типа (V-образных);
3. Раздельные головки под цилиндры в многоцилиндровых рядных двигателях;
4. Индивидуальные решения: головки цилиндров в одно- и многоцилиндровых рядных ДВС, V-образных ДВС и прочих.

Распространенные 2-х — 6-цилиндровые рядные моторы используют общие головки. Если мотор V-образный, то в нем с наибольшей вероятностью ГБЦ перекрывает один ряд цилиндров, хотя находят применение и головки под каждый цилиндр, как в восьмицилиндровых двигателях. Индивидуальные головки блока цилиндров можно видеть в мощных дизельных двигателя, а также специальных силовых агрегатах, как-то звездчатых и оппозитных двухцилиндровых агрегатах. Если двигатель одноцилиндровый, то головка строго индивидуальная. Также ГБЦ классифицируют по расположению камер сгорания. Здесь возможны такие конструктивные исполнения:

1. Камера находится прямо в головке. При таком исполнении поршень должен имеют плоское днище. Возможно наличие вытеснителя;
2. Камера находится и в поршне, и в ГБЦ. Часть камеры сгорания находится в нижней части поршня;
3. Камера находится прямо в поршне. При таком исполнении ГБЦ имеет плоскую нижнюю поверхность, опционально с углублениями под установку клапанов с наклоном.

Но и на этом классификация не заканчивается. В зависимости от устройства ГРМ и наличию данного механизма в принципе, головки блоков могут иметь различное конструктивное исполнение. Вот например:

1. ГРМ отсутствует. Такое возможно в одноцилиндровых двухтактных бесклапанных, а также многоцилиндровых нижнеклапанных двигателях;
2. Присутствуют клапаны, коромысла и другие компоненты двигателя. Распредвал располагается снижу, остальные комплектующие двигателя монтируются в верхней части головки блока цилиндров;
3. ГРМ полное (распредвал, клапаны, приводы, сопутствующие элементы). В этом случае детали монтируются в верхней части ГБЦ.

Многообразие ГРМ определяется и тем, под какой именно двигатель они спроектированы. Выделяют головки под бензиновые, газовые, дизельные агрегаты, под моторы малых оборотов и форсированные, а также моторы, имеющие воздушное или водяное охлаждение. В общем и целом, конструкция всех головок примерно одинакова, но на деле головки почти никогда не являются взаимозаменяемыми. Неисправности головок разных типов также схожи.

Какие бывают головки

Головки блока цилиндров производят методом литья из легированного чугуна или сплавов на основе алюминия. Изделия из алюминиевого сплава не так прочны, как чугунные, зато легче и меньше подвержены коррозии, именно потому их применяют в моторах большинства легковых автомобилей.

Чтобы ликвидировать остаточное напряжение металла, деталь подвергают обработке по специальной технологии. Затем производится фрезеровка и сверление.

В зависимости от конфигурации двигателя (расположения цилиндров, коленвала и распредвалов) он может иметь различное количество ГБЦ. В однорядном агрегате головка одна, в моторах другого типа, например, V-образном или W-образном, их может быть две. Крупногабаритные двигатели обычно оснащаются отдельными головками для каждого цилиндра.

Конструкция ГБЦ различается также в зависимости от количества и расположения распределительных валов. Распредвалы могут монтироваться в дополнительном отсеке головки, а могут устанавливаться в блоке цилиндров.

Возможны и другие конструктивные особенности, которые зависят от количества и расположения цилиндров и клапанов, формы и объема камер сгорания, расположения свечей или форсунок.

В двигателях с нижним расположением клапанов головка имеет значительно более простое устройство. В ней имеются лишь каналы циркуляции антифриза, посадочные места для свечей зажигания и элементы крепления. Однако такие агрегаты обладают низкой эффективностью и в автомобильной промышленности давно уже не используются, хотя их все еще можно встретить в специальной технике.

Принцип работы

Если говорить вкратце, то ГБЦ отвечает за формирование камеры сгорания, подачу в камеру горючей смеси и дальнейший отвод отработавших газов. На словах все достаточно просто, но давайте рассмотрим все в подробностях. Итак, при запуске двигателя головка блока цилиндров включается в работу. Вот что происходит:

1. Распредвал толкает штангу, которая затем оказывает давление на гидрокомпенсатор и коромысло;
2. Коромысло оказывает давление на клапан, который тут же открывается. Клапаны в дизельных ДВС несколько отличаются от своих бензиновых «собратьев» по функционалу;
3. Клапан оказывается в камере сгорания, где происходит воспламенение смеси от свечи зажигания;
4. Отработавшие газы отходят в выпускной коллектор;
5. Пружина возвращает клапан в его изначальное положение. Цикл повторяется.

В дизельных мотор смесь воспламеняется от сжатия, так что ключевым параметром является синхронизация впрыска топлива специальной дизельной форсункой с открытием впускного клапана. В случае ГБЦ как бензинового, так и дизельного мотора важной является герметичность газового стыка — если он теряет герметичность, топливо не будет сгорать полностью, а двигатель будет труднее запустить. Также при потере герметичности можно отметить повышенную шумность работы двигателя и его ускоренное изнашивание по ходу эксплуатации.

Коротко о прокладках ГБЦ

Раз уж речь зашла о герметичности, то остановимся и рассмотрим этот параметр. При монтаже головки к БЦ необходимо четко соблюдать технологию, о чем мы вскользь упомянули выше. Перед монтажом важно подобрать правильную прокладку, которая сделает соединение герметичным и более надежным. Технологии не стоят на месте и сегодня на рынке автомобильных комплектующих имеются прокладки головки блока цилиндров аж трех разновидностей. Ключевым является материал прокладки:

• Металл. Прокладка из металла (листовая медь + сталь) может похвастать долговечностью, высокой прочностью. В ней равномерно распределяются нагрузки, а в случае специфических БЦ предусматриваются зоны с дополнительными элементами для уплотнения. Это классическая «одноразовая» прокладка;
• Асбест. Несмотря на то, что основным материалом такой прокладки является асбест, металлические элементы в ней тоже есть. Асбест отличается упругостью и впечатляющей огнестойкостью. Материал теряет свойства при длительной эксплуатации, а также отличается чувствительностью как к вибрациям, так и резким перепадам температур;
• Композитные материалы. Композитные прокладки чаще называют безасбестовыми. Материалы: синтетическое волокно и каучук. Такие прокладки упругие, эластичные, долговечные, а также не боятся перепадов температур, коррозии и имеют высокие электроизоляционные свойства. Кроме того, изготовление безасбестовых прокладок не оказывает серьезного влияния на экологию, чем не может похвастать технология изготовления прокладок из асбеста.

На данный момент лучшим считаются безасбестовые прокладки ГБЦ. Их недостатком является разве что высокая цена, а отдельных случаях и низкая доступность в местных магазинах автозапчастей. Но не стоит думать, что даже лучшая прокладка не может выйти из строя. На эксплуатационный ресурс влияет и соблюдение технологии монтажа головки, и нормальная работа помпы, термостата, отсутствие накипи в системе охлаждение, а также заправка автомобиля качественным топливом, правильная регулировка агрегата.

Неисправности ГБЦ

По факту, головка блока цилиндров является большим металлическим блоком сложной формы. Главным дефектом такого блока является появление трещин. Так как головка включает в себя множество сопутствующих деталей и элементов, обычно специалисты, говоря о неисправностях ГБЦ, подразумевают что-то из следующего:

• Срыв резьбы под свечи;
• Поломка пружин, рокеров, клапанов, компенсаторов;
• Нарушение герметичности вследствие дефекта прокладки ГБЦ;
• Появление трещин на самой ГБЦ;
• Износ постелей под распределительным валом;
• Выпадение седла клапана;
• Попадание выхлопных газов в систему охлаждения через образовавшееся в нижней части ГБЦ отверстие.

Что касается дефектов непосредственно ГБЦ (трещин, отверстий), то они не всегда говорят о необходимости замены всей головки. Например, если появилась трещина между рубашкой охлаждения и камерой сгорания, ремонт зачастую не является целесообразным. Трещины вне газового в подавляющем большинстве случаев удается заварить. Износ постелей под распредвал можно устранить посредством восстановления бронзовыми втулками.

При несвоевременном обращении к специалисту повреждения ГБЦ могут стать настолько серьезными, что весь узел начнет быстро разрушаться и потеряют всякую ремонтопригодность. В большинстве случаев выходят из строя клапаны. Как показала практика, при неполном закрытии клапана поршень бьется о тарелку клапана, вследствие чего клапан деформируется и нарушается его плотное прилегание к седлу. Далее, появляются дефекты головки цилиндров, поршневой группы и клапанов. Одна из поршневых групп со временем полностью выходит из строя и двигатель начинает работать в ненормальном режиме. Решить проблему проще всего на первых этапах ее появления. Заметьте, что даже после ремонта к двигателю нужно «прислушаться» — если он работает неустойчиво, необходимо как можно скорее обратиться к специалисту. Если ремонт был сделан неквалифицированным специалистом, притирка деталей проблему не решит, что бы этот специалист не утверждал.

Обратите внимание, что вне зависимости от сложности ремонта ГБЦ агрегат должен быть тщательно отшлифован и, опционально, фрезерован. Обязательной является шлифовка привалочной плоскости головки. Если за восстановление и ремонт возьмется квалифицированный специалист, то он с высокой вероятностью сможет восстановить деталь практически до ее первоначального состояния. Вся работа займет много времени. Также автолюбителю не стоит забывать о том, что при покупке новой прокладки ГБЦ нужно отдавать предпочтение изделиям известных производителей или же оригиналам.

Правила эксплуатации, возможные неисправности и проблемы

​​​​​​​

ГБЦ — достаточно уязвимый функциональный узел, подверженный воздействию комплекса негативных факторов. Поэтому не исключены и вполне вероятны:

1. Срыв резьбовых соединений (под свечи или шпильки), трещины с внешней стороны корпуса. Трещины образуются вследствие неграмотной затяжки креплений, а дефекты резьбы чаще всего оказываются скрытым заводским браком.
2. Искривления плоскости стыка, коррозия поверхности и ослабление креплений. Возникают из-за длительной работы, перегрева двигателя, некачественной охлаждающей жидкости.
3. Образование межседельных трещин и выпадение клапанных сёдел. Причины — низкокачественное горючее, истекающий ресурс оборудования, плохо отрегулированное зажигание.
4. Износ группы толкателей и распределительного вала.
5. Отказ клапанных направляющих втулок. Причина — значительный пробег, некондиционная смазка.

В случае прорыва газов головку чаще всего фрезеруют. При срыве свечной резьбы устанавливают «ввёртыш», система креплений подлежит замене.

Распространение межседельных трещин способствует утечке отработанных газов в охлаждающую рубашку и заклиниванию поршней. В этом случае головку можно заменить; по крайней мере, трещины допускается заварить с соблюдением технологии.

Падение масляного давления свидетельствует о проблемах с распределительным валом. Диаметр постелей распредвала восстанавливают посредством вставки дюралюминиевых либо латунных втулок (как правило, в качестве развёртки применяется прежний распредвал с фрезерными зубцами).

Кроме того, делают ремонт невозможным значительная коррозия, а также повреждения от детонации. Выпавшее седло путём охлаждения в парах жидкого азота меняют на новое, либо на аналогичное, высверленное с другой головки.

Вывод

Головка блока цилиндров — с виду довольно простой компонент двигателя внутреннего сгорания, в котором попросту нечему ломаться. В силу сложности современных двигателей и того факта, что они эксплуатируются в жестких условиях, не стоит быть уверенным в том, что проблем с ГБЦ ни разу не возникнет за весь период эксплуатации автомобиля. Конечно, в большинстве случаев требуется лишь замена прокладки, однако автолюбителю важно помнить, что любое изменение в характере работы двигателя может свидетельствовать о появлении далекоидущих проблем. Помните о том, что ненормальная работа двигателя, повышенный расход масла, топлива, снижение акустического комфорта и странное поведение агрегата на разных оборотах сигнализирует о необходимости проведения диагностики.

В статье:

• Какие бывают головки
• Устройство ГБЦ и ее функциональное назначение
• О ремонте и замене

Современный двигатель внутреннего сгорания представляет собой весьма сложный агрегат, включающий в себя большое количество узлов и деталей. Ключевой составной частью ДВС является головка блока цилиндров (ГБЦ). ГБЦ, или просто головка, служит своего рода крышкой, закрывающей сверху цилиндры двигателя. Однако это далеко не единственное функциональное назначение головки. ГБЦ имеет довольно сложную конструкцию, а ее состояние критически важно для нормальной работы мотора. Разбираться в устройстве головки и понимать, как функционирует данный элемент, должен каждый автолюбитель.