Головка блока цилиндров

Головка блока цилиндров

Конструкция головки блока цилиндров претерпела много изменений за последние годы, и многие современные двигатели оснащены деталями, которые еще совсем недавно можно было встретить только на профессиональных гоночных автомобилях. Большая часть модификаций качества обработки каналов и формы камеры сгорания была выполнена с целью снижения токсичности выхлопных газов. Ранние двигатели, оснащенные системами контроля за выпуском отработавших газов, были неэффективными, другими словами, маломощными «пожирателями бензина». Производители автомобилей не располагали большим арсеналом средств, чтобы вернуть мощность и увеличить КПД. Конструкция системы контроля за выпуском отработавших газов работала достаточно эффективно, поэтому простейшие модификации не могли изменить ситуацию. Оставалось обратить внимание на головку блока цилиндров и карбюратор. Некоторые производители начали использовать впрыск топлива как промежуточное решение, а большинство начало интенсивные исследования по оптимизации конструкции каналов и камеры сгорания. Результатом данных исследований стала установка на большое количество легковых автомобилей головки блока цилиндров спортивного типа. Подобные головки блока цилиндров еще 25 лет назад были установлены на автомобилях Crossworth DFV V8 Формулы 1.

Однако это совсем не означает, что современную головку блока цилиндров нельзя модифицировать. Совсем наоборот, но тюнинг должен быть более искуссным, чем раньше. Современные головки блока цилиндров не нуждаются в удалении большого количества металла с поверхности каналов и камеры сгорания. Чаще всего размер клапанов также подходящий. В течение длительного времени я считал, что увеличение размеров каналов и клапанов не является решением проблемы, особенно для автомобилей, находящихся в повседневной эксплуатации, и данный принцип верен до сих пор.

Большое количество автолюбителей, занимающихся тюнингом головки блока цилиндров, и даже магазины, распространяющие головки блока цилиндров, посвящают много времени так называемому «наведению блеска». Собственно говоря, они не изменяют конструкцию каналов и камеры сгорания, причиной чему являются ограниченные знания. Чаще всего, расшлифовывается пара сантиметров канала с торца коллектора, так как эта область наиболее доступна, затем выполняется полировка до блеска. Затем полировке подвергается камера сгорания и возможно клапаны. В результате мы получаем головку блока цилиндров, отполированную до блеска, которая отлично выглядит и стоит много денег, однако на самом деле всё это приводит к уменьшению мощности, снижению экономичности практически на любой частоте оборотов двигателя.

Головка блока цилиндров

Большое количество современных легковых автомобилей оснащено полнопоточной головкой блока цилиндров и большими клапанами. Поэтому можно выполнить лишь незначительные модификации каналов и клапанов, чтобы увеличить мощность двигателя.

В мощном экономичном двигателе особенно необходимо ускорить подачу топлива в камеру сгорания, иначе топливо начнет скапливаться и стекать в камеры сгорания в форме невоспламеняемых капель. Это приводит к увеличению расхода топлива, ухудшению технических характеристик, смывает смазку со стенок цилиндра и увеличивает токсичность выхлопных газов. Поэтому нет необходимости в растачивании каналов, в любом случае, диаметр некоторых каналов даже больше чем нужно. Выступающие части отливки можно запилить, однако не стоит шлифовать деталь до блеска. За редким исключением стандартные каналы обеспечивают хороший поток примерно до поднятия клапана на 10-11,5 мм. Основным препятствием может стать собственно клапан, а также гнездо клапана (область между направляющей клапана и седлом клапана). Очевидно, что гнездо клапана является именно той частью канала, на которой необходимо сосредоточить усилия.

Чтобы лучше понять, что происходит вследствие растачивания каналов и установки больших клапанов, обратите внимание на таблицу 2.1, которая демонстрирует прохождение воздушного потока через головку блока цилиндров автомобиля Chevrolet. Первая головка блока цилиндров с серийным номером «993» была оригинально установлена на маломощные двигатели 350 куб. на легковых автомобилях начала 70 годов. По американским стандартам это неплохая головка блока цилиндров, но конечно она не сравнима с головками блока цилиндров, изготавливаемыми в Японии и Европе. Учтите, что поток входящего воздуха уменьшится при подъеме клапана примерно на 10 мм, примерно в том месте, где по нашим расчетам головка блока цилиндров перестанет увеличивать поток воздуха. Во втором тестировании использовалась головка блока цилиндров гоночного автомобиля, оснащенная каналами большего диаметра и бо́льшими клапанами, модифицированных с целью увеличения частоты вращения двигателя до 8000 об/мин с кулачковым роликом с большим подъемом. За деньги, потраченные на покупку только одной из головок блока цилиндров, можно было приобрести полный комплект легкосплавных дисков или низкопрофильных шин! Данные таблицы указывают, что поток воздуха головки блок цилиндров гоночного автомобиля был намного лучше, когда клапан поднимался соответственно, головка блока цилиндров пропускала воздух, пока клапан не поднялся на 16,5 мм). Потратив немного больше средств, чем понадобилось бы на восстановление, головка маломощного двигателя была модифицирована для проведения третьего тестирования

По результатам тестирования можно сказать, что показатели модифицированной головки блока цилиндров маломощного двигателя превосходят данные тестирования головки цилиндров гоночного автомобиля вплоть до поднятия клапана до 10-11,5 мм, что вполне позволяет использовать данную головку блока цилиндров при нормальных дорожных условиях. К тому же даже при последующем поднятии клапана значения при третьем тестировании не слишком отставали от второго.

В действительности, данные прохождения потока воздуха при максимальном поднятии не слишком важны, так как клапан остается в данном положении лишь долю секунды. При этом гораздо больше времени он проводит при закрытии и открытии на меньшей высоте.

Таблица 2.1. Тестирование прохождения потока воздуха через головку блока цилиндров автомобиля Chevrolet.

Тестирование №1 – стандартная головка блока цилиндров автомобиля Chevrolet 350 с впускным клапаном диаметром 49,28 мм и выпускным клапаном диаметром 38,1 мм.

Тестирование №2 – глубокая модификация головки блока цилиндров автомобиля Chevrolet 350 с впускным клапаном диаметром 52,2 мм и выпускным клапаном диаметром 41,27 мм.

Тестирование №3 – неглубокая модификация головки блока цилиндров автомобиля Chevrolet 350 с впускным клапаном диаметром 49,28 мм и выпускным клапаном диаметром 40,64 мм.

Тюнингу подверглась только область гнезда клапана, каналы головки блока цилиндров не были изменены. Прежде всего, в гнезде впускного клапана необходимо было избавиться от выступа, образованного 75° разверткой при производстве головки блока цилиндров. Данный выступ не был достаточно сточен, чтобы обеспечить прямые стенки, как думают многие, скорее он был закруглен по радиусу, чтобы позволить воздуху поступать в цилиндр через головку клапана. Малый радиус нижней части канала также требовал тщательной обработки и полировки. Затем необходимо было уменьшить диаметр направляющей втулки клапана, однако не стоит уменьшать ее, чтобы продлить срок ее эксплуатации. Верхние и боковые части канала необходимо закруглить и отполировать. После этого, канал был осторожно запрессован в стандартное треугольное седло клапана.

Со стороны выпускного клапана было решено заменить клапан диаметром 38, 1 мм на стандартный клапан Chevrolet 40,64 мм. Некоторые головки блока цилиндров Chevrolet могут быть модифицированы должным образом для выпуска отработавших газов, только после установки клапана диаметром 40,64 мм, в противном случае, развертка будет выполнена неправильно.

Эти головки также необходимо было установить на Corvette с увеличенным ходом поршня (с 350 до 383 куб.), так как я хотел обеспечить отличный поток отработавших газов. Прежде всего, нужно было расточить седло, чтобы установить новый клапан диаметром 40.64 мм. Расточка до 60° была применена к седлу, стандартно расточенному под 45°, чтобы обеспечить достаточно большой радиус для короткой и длинной стороны канала. Далее многие любители тюнинга чаще всего совершают непростительную ошибку. Они пытаются расточить и отшлифовать канал параллельно ниже седла, расточенного под 45°, что значительно уменьшает поток воздуха при поднятии клапана до середины. После запрессовывания развертки под углом 60°, направляющую втулку клапана необходимо сделать тоньше, затем запрессовать и отшлифовать верхнюю и боковую часть канала.

Закругление выступа в месте, где развертка соединяется с литым впускным каналом, позволяет увеличить поток воздуха в цилиндр. Если канал расточен до самого конца седла клапана, поток воздуха ухудшится.

Для дальнейших модификаций каналов, для их увеличения и улучшения их технических характеристик, обратимся к примеру головки блока цилиндров автомобиля VW Golf с двигателем 1,6 л. Обычно, головка блока цилиндров обеспечивает нормальный поток воздуха, но при этом поток воздуха будет ограничиваться впускным и выпускным клапаном малого диаметра (34,04 мм и 30,99 мм), а также, по мнению многих любителей тюнинга, узкими каналами.

Чтобы опровергнуть данное убеждение, просто посмотрите данные, приведенные в таблице 2.2 со стороны впускного клапана поток воздуха значительно сократился после подъема клапана на 7,366 мм, однако в канале поток воздуха был неплохим, пока клапан не поднялся на 10,92 мм. Ввиду установленных маленьких клапанов было решено не тратить время на работы в области гнезда клапана или на изменения формы профиля клапана. Вместо этого, необходимо установить клапаны большего диаметра, и только после этого выполнять все возможные модификации.

Прежде всего, необходимо снять стандартные втулки седла клапана, заменив их более качественными (стандартные втулки часто выходят из строя), способными выдержать впускные и выпускные клапаны большего диаметра. Затем стандартные каналы необходимо расширить по внутреннему диаметру втулок методом уплотнения, при этом не прибегая к декоративной отделке закругления и т.п., так как я хотел посмотреть, как будет работать стандартная головка при минимальных затратах на модификацию. Результаты тестирования №2 были великолепными, доказывая, что стандартные маленькие каналы отлично подходят, даже при большом увеличении диаметра клапанов. Однако поток воздуха все еще ослабевал при поднятии клапана на высоту 9 мм, поэтому мы попытались выполнить некоторые модификации, чтобы исправить ситуацию. Первым делом, необходимо уменьшить сечение области гнезда клапана, начиная от направляющей клапана до седла клапана. Результаты выполнения данной модификации показаны в тестировании №3 в таблице. Все выполненные после этого модификации увеличивали поток воздуха только при поднятии клапана на высоту 12 мм, что совершенно не имеет значения при использовании стандартных распределительных валов, к тому же, как и предполагалось, некоторые модификации приводили к уменьшению потока воздуха при поднятии клапана до

7 мм. Со стороны выпускного клапана уменьшение сечения гнезда клапана не принесло ожидаемых результатов. Единственной эффективной модификацией можно считать обработку под прямым углом верхней части выпускного канала, в местах наиболее интенсивного потока воздуха, по всей длине. Результаты данной модификации указаны в колоне тестирования №3. однако при использовании автомобиля в стандартных дорожных условиях данная модификация может быть неоправданно дорогостоящей. К тому же, сама по себе установка клапана большего диаметра обеспечила нормальный поток воздуха.

Таблица 2.2. Тестирование прохождения потока воздуха через головку блока цилиндров автомобиля VW Golf.

Тестирование №1 – стандартная головка блока цилиндров автомобиля VW Golf с впускным клапаном 34,04 мм и выпускным клапаном 30,99 мм.

Тестирование №2 – стандартная головка блока цилиндров автомобиля VW Golf с впускным клапаном 40,64 мм и выпускным клапаном 34,04 мм.

Тестирование №3 – стандартная головка блока цилиндров автомобиля VW Golf с модифицированными каналами.

Отлично выполненный прямой впускной канал, установленный в автомобиле VW Golf, как и в большинстве автомобилей, оснащенных двигателями с верхним расположением распределительного вала, может быть достаточно маленьким, обеспечивая при этом достаточный поток воздуха. Однако в автомобилях, оснащенных двигателем со штанговыми толкателями в приводе клапанов, сложность конструкции требует использования канала большего диаметра для обеспечения нормального потока воздуха. Посмотрев на иллюстрацию впускного канала автомобиля Chevrolet, вы можете заметить, поток воздуха ослабевает с одной стороны клапана, так как твердый выступ в нижней части канала ограничивает поток воздуха с той стороны клапана. В действительности, в некоторых головках блока цилиндров поток воздуха, движущийся по нижней части канала, затем по малому радиусу попадающий в камеру сгорания, составляет только 25% от общего объема. Большая часть воздуха движется по верхней части канала и по большему радиусу (кроме моментов непосредственно при начале подъема клапана). Следовательно, при таком типе головки блока цилиндров необходимо устанавливать каналы большего диаметра. Если канал прямой, поток воздуха движется более равномерно по верхней и нижней части канала.

Диаметр впускного канала зависит от многих факторов, например, размера цилиндра, рабочей частоты вращения двигателя, формы канала, размера клапана и т.д. Поэтому точные данные не могут быть приведены.

Однако стоит отметить, что если канал имеет форму окружности, его диаметр не должен превышать диаметр клапана более чем на 18%. Если же канал имеет прямоугольную или овальную форму, разница должна составлять не более 33%. В таблице 2,3 вы сможете найти данные о размерах впускных отверстий каналов, которые являются ремонтными размерами; большинство двигателей будет нормально работать, если размеры, указанные в таблице будут уменьшены на 6% для каналов, имеющих форму окружности, или на 11% для каналов овальной и прямоугольной формы.

Трех и четырехклапанные двигатели не требуют модификации впускного отверстия канала. Если Вы хотите проверить, убедитесь, что разница между диаметром канала и клапана составляет от 23-21%.

Как упоминалось ранее, все необходимые модификации необходимо выполнять в области непосредственно над или под седлом клапана. Чтобы обеспечить доставку воздуха в камеру сгорания, стенки канала не должны быть гладкими, могут возникнуть возмущения потока. Необходимо приблизить конструкцию впускного отверстия к конструкции трубы Вентури. В самой узкой точке диаметр данного отверстия не должен превышать диаметр клапана более чем на 13-15%. Иногда толщина металла в отверстии недостаточна для образования подобного диффузора. В таком случае, вы можете либо довольствоваться менее интенсивным потоком воздуха, либо потратить некоторые средства на установку больших клапанов, чтобы обеспечить достаточное сужение гнезда клапана.

Сравнение впускных отверстий автомобиля Porsche 944 и Chevrolet 350 показывает, почему многие современные двигатели создают достаточно хороший поток воздуха при узких, но прямых впускных каналах.

Таблица 2.3. Размер впускного канала двухклапанных двигателей.

Примечание:
Если канал имеет форму окружности, его диаметр не должен превышать диаметр клапана более чем на 18%, если же канал имеет прямоугольную или овальную форму, разница должна составлять не более 33%.

Выпускные каналы также нуждаются в подобных модификациях отверстий. Гнездо клапана должно быть закруглено таким образом, чтобы его диаметр не превышал диаметр клапана более чем на 14-15%. По мере приближения канала к поверхности коллектора, его диаметр может увеличиваться примерно на 5% по сравнению с диаметром клапана. При использовании автомобиля в стандартных дорожных условиях, это не столь важно, так как во многие двигатели работают достаточно эффективно при разнице диаметра клапана и выпускного канала в 11% (для каналов прямоугольной формы примерно 19%). Если выпускные каналы слишком малы, необходимо расточить верхнюю часть канала, в местах наиболее интенсивного воздушного потока.

Каналы круглой и овальной формы можно сделать квадратными в верхней части, а каналы прямоугольной формы необходимо расширить в верхней части. Не углубляйте и не расширяйте нижнюю часть выпускных каналов, так как это создаст турбулентный поток и приведет к попаданию отработавших газов обратно в камеру сгорания.

Слишком узкие выпускные каналы необходимо расширить в верхней части, в местах наиболее интенсивного прохождения воздушного потока.

Наибольшее сужение используется в выпускных каналах двигателей, оснащенных системой дожигания отработавших газов (путем впрыскивания воздуха в выпускной коллектор). Чтобы обеспечить нормальную работу сопла форсунки, в верхней части канала для его установки используется основной прилив в месте наиболее интенсивного потока отработавших газов. По возможности рекомендуется снять систему дожигания отработавших газов, затем необходимо установить заглушки в отверстия, оставшиеся после извлечения воздушных форсунок, и сгладить выступы. Однако чаще всего выполнить это невозможно, поэтому придется сточить воздушные форсунки и выступы, однако не настолько, чтобы вызвать образование трещин на каналах, вследствие уменьшения толщины верхней стенки. Если двигатель вашего автомобиля не оснащен системой воздушных форсунок, но при этом установлена система дожигания отработавших газов, некоторые модели могут иметь неиспользуемые приливы, которые необходимо будет сточить для увеличения интенсивности потока выхлопных газов. Ни в коем случае не снимайте и не отключайте систему дожигания отработавших газов в турбированных двигателях, так как в таком случае, она действительно улучшает технические характеристики, увеличивая объем отработавших газов и мощность на низких оборотах двигателя. Это способствует быстрому набору оборотов, уменьшая задержку и инерционность на малых оборотах двигателя.

Впускные и выпускные каналы должны быть соответствующего размера и формы, чтобы свести к минимуму препятствие движению потока, в противном случае это приведет к снижению его интенсивности. Многие любители тюнинга по привычке заменяют заводские клапаны деталями слишком большого размера, в некоторых случаях, например в автомобиле VW Golf с двигателем 1,6 л, это вполне разумное решение. Однако большое количество двигателей оснащено клапанами достаточно большого размера для эксплуатации автомобиля при стандартных дорожных условиях.

Сопло воздушной форсунки и основной прилив представляют препятствие на пути движения потока отработавших газов, частично блокируя верхнюю часть выпускного канала.

Чаще всего, достаточно незначительно модифицировать форму заводского клапана, чтобы добиться увеличения интенсивности потока. К тому же, использование стандартных заводских клапанов имеет свои преимущества. Обычно они намного дешевле, чем клапаны для спортивных автомобилей увеличенных размеров, их легко найти в свободной продаже, форма и размер заводских клапанов не изменяются от серии к серии, а также ассортимент ремонтных размеров стержней позволяет растачивать, а не заменять заводские направляющие, если дело доходит до модификации головки блока цилиндров. Некоторые беспокоятся о качестве материалов, использующихся при производстве заводских клапанов, однако, как правило, это уже не является проблемой. Все двигатели, оснащенные системами снижения токсичности отработавших газов, особенно двигатели, предназначенные для использования неэтилированного топлива, должны быть оснащены клапанами, изготовленными из прочных, термоустойчивых и устойчивых к коррозии материалов. В действительности, материалы, использующиеся при изготовлении заводских клапанов, по составу сходны с материалами, применяющимися для производства клапанов гоночных автомобилей. Главным секретом продления срока эксплуатации клапанов в современных двигателях является не использование более качественных материалов при их производстве, а регулярная обработка. Небольшой износ направляющей или седла клапана, покрытых сажей, все равно приведут к прогоранию клапанов не зависимо от типа сплава, использующегося при производстве клапана. В некоторых двигателях обработку головки блока цилиндров необходимо выполнять каждые 24000- 32000 км пробега, в то же время в других двигателях обработка может производиться каждые 72000- 96000 км пробега, как в старые добрые времена.

Эффективность стандартных заводских клапанов значительно возрастет при выполнении рабочей фаски под углом 30°. Стандартные клапаны диаметром 49,28 мм автомобиля Chevrolet являются типичными представителями заводских клапанов, но обратите внимание на улучшение интенсивности потока при выполнении рабочей фаски в таблице 2.4. Как вы могли заметить, при поднятии клапана на половину интенсивность потока увеличилась на 12%. Такого же результата можно было добиться, потратив гораздо больше времени на расточку и шлифовку каналов. Другой относительно простой модификацией можно считать подрезку стержня клапана на 0,9 мм. Это помогло увеличить интенсивность потока воздуха на 7% на начальном этапе поднятия клапана. При выполнении данной модификации необходимо быть очень осторожным, чтобы избежать усталости стержня клапана и, как следствие, его разрушения. После подрезки поверхность стержня необходимо тщательно отполировать и запрессовать в головку клапана и неподрезанную часть стержня клапана.

В таблице 2.5 указаны все преимущества, которые можно извлечь из простых модификаций выпускного клапана.

Путем простейших модификаций клапана интенсивность потока воздуха можно уменьшить так же, как и при растачивании внутренней части каналов. Необходимо выполнить рабочую фаску впускных клапанов под углом 30°, чтобы запрессовать седло клапана в посадочное отверстие. Стержень необходимо подрезать на отрезке между направляющей клапана и посадочным отверстием. Прямой угол между ободком клапана и рабочей поверхностью клапана уменьшает обратный поток топливовоздушной смеси при установке высокоэффективного распредвала.

Таблица 2.4. Тестирование прохождения потока воздуха через впускной клапан автомобиля Chevrolet.

Тестирование № 1 – стандартный впускной клапан автомобиля Chevrolet диаметром 49,28 мм.

Тестирование №2 – стандартный впускной клапан автомобиля Chevrolet после выполнения рабочей фаски под углом 30°.

Тестирование № 3 – стандартный впускной клапан автомобиля Chevrolet после выполнения рабочей фаски под углом 30° и подрезки стержня клапана на 0,9 мм.

Для выполнения сравнительного анализа был выбран выпускной клапан автомобиля Chevrolet диаметром 38,1 мм из-за неправильной расточки посадочного отверстия. Выполнение рабочей фаски улучшило форму клапана, однако интенсивность потока увеличилась только на 3%, что доказывает низкую эффективность подрезки на некоторых типах клапанов. Затем закруглению подверглась рабочая поверхность клапана и ободок. Вследствие данной модификации интенсивность потока увеличилась на 12% на начальном этапе подъема клапана. Подрезка под углом 45° области вокруг рабочей поверхности клапана привела к таким же результатам, однако это может ослабить клапан сильнее, чем закругление. Стержень выпускного клапана не подвергался подрезке, так как форма стержня была протестирована производителем на прочность, и лишь потом клапан был установлен. Я видел большое количество клапанов с неправильной формой посадочного отверстия стержня клапана, однако при этом, интенсивность потока не ухудшалась. Однако необходимо добиться соответствующей формы стержня клапана, в противном случае, под воздействием высокой температуры и коррозийных свойств отработавших газов поверхность посадочного отверстия может быть повреждена, что в конечном итоге приведет к отсоединению головки клапана от стержня.

Таблица 2.5. Тестирование прохождения потока воздуха через выпускной клапан автомобиля Chevrolet.

Тестирование № 1 – стандартный впускной клапан автомобиля Chevrolet диаметром 38 мм.

Тестирование №2 – стандартный впускной клапан автомобиля Chevrolet после выполнения рабочей фаски под углом 30°.

Тестирование №3 – стандартный впускной клапан автомобиля Chevrolet после выполнения рабочей фаски под углом 30° и закругления рабочей поверхности клапана

Тестирование № 4 – стандартный впускной клапан автомобиля Chevrolet после выполнения рабочей фаски под углом 30° и подрезки стержня клапана на 0,9 мм.

Чтобы избежать этого, можно установить дорогие высококачественные выпускные клапаны с тонкими стержнями. Они представляют собой монолитную конструкцию в отличие от большинства заводских клапанов, где головка клапана приварена к стержню. При использовании высококачественных клапанов монолитной конструкции направляющая клапана должна быть изготовлена из специального сплава алюминия и бронзы, чтобы избежать образования задиров. Путем сравнения тестирование № 4 показало, насколько может увеличиться интенсивность потока при использовании высококачественных клапанов с правильным контуром посадочного отверстия. На этом клапане уже выполнена подрезка стрежня клапана на 0,9 мм. Необходимо было лишь выполнить рабочую фаску под углом 30º и закругление рабочей поверхности клапана.

Стандартные выпускные клапаны могут быть модифицированы следующим образом (как показано на рисунке): выполнение рабочей фаски под углом 30° и закругление рабочей поверхности клапана. При использовании высококачественного клапана монолитной конструкции из аустенитной нержавеющей стали, можно выполнить подрезку но 0,9 мм.

В таблице 2.6 указаны рекомендуемые размеры клапанов для современного мощного и экономичного двигателя, оснащенного головкой блока цилиндров с двумя клапанами. Разница в технических характеристиках между минимальным и рекомендуемым размером клапана не настолько существенна, чтобы значительно увеличить мощность и экономичность двигателя. Теоретически, клапаны большего размера должны способствовать улучшению интенсивности потока воздуха при поднятии клапана, таким образом, увеличивая мощность на выходе, однако на практике чаще всего так не выходит. Производители автомобилей потратили много времени на исследование работы головки блока цилиндров, с привлечением не только высококвалифицированных специалистов, работающих в компании, но и независимых экспертов. Результатом данных исследований стала разработка рекомендуемых размеров клапанов для использования в стандартных дорожных условиях.

Таблица 2.6. Размер клапанов для двигателей с двумя клапанами.

В стремлении увеличить мощность и снизить токсичность выбросов большое количество производителей автомобилей устанавливают трех и четырех клапанные головки блока цилиндров. Установка двух впускных и одного или двух выпускных клапанов в камере сгорания помогает увеличивать пропускную способность. Однако на самом деле совсем не это является основной причиной увеличения мощности. Прежде всего, это происходит при условии, что форма камеры сгорания улучшена, а свечи зажигания воспламеняют топливо непосредственно в центре пространства. Это приводит к полнейшему сгоранию и как следствие, увеличению мощности. К тому же, если клапанов больше, пропускная способность будет увеличиваться при их подъеме. Учтите, что воздух проходит не через клапан, а около него, таким образом, интенсивность потока будет равна длине окружности клапана умноженной на высоту поднятия клапана. Например, в двигателе с клапаном диаметром 43,8 мм площадь рабочей поверхности клапана будет составлять 15,1 см². В то же время двигатель, оснащенный двумя клапанами диаметром 31 мм, будет также иметь площадь рабочей поверхности 15,1 см². При этом использование одного клапана большего размера сокращает интенсивность потока воздуха на 40% на всех уровнях подъема клапана, таким образом, уменьшая максимальную потенциальную мощность.

Очевидно, что не зависимо от количества клапанов и их размера, стенки камеры сгорания не должны блокировать поток воздуха. Несколько лет назад большинство головок блока цилиндров имели такую конструкцию камеры сгорания, обеспечивающую примерно только 40% от потенциальной интенсивности потока воздуха вокруг клапана. К счастью сегодня в наше время лишь некоторые автомобили оснащены настолько узкими камерами сгорания, приводящими к перекрытию клапанов. При этом все головки блока цилиндров с клапанами, расположенными в ряд по оси двигателя, подвержены некоторому перекрытию клапанов, не зависимо от конструкции и размера клапанов. Одним из способов предотвращения этой проблемы является расточка соответствующей стенки камеры сгорания, соприкасающейся с поверхностью клапана.

Головка блока цилиндров

Стенки камеры сгорания необходимо расточить, чтобы избежать перекрытия клапанов, в случае их расположения в ряд по оси двигателя. Необходимо соблюдать баланс, поддерживая нормальную интенсивность потока воздуха и сгорания. Если стенки камеры сгорания будут чрезмерно расточены с целью увеличения интенсивности потока воздуха, сгорание может быть замедлено, что приведет к превышению нормы выбросов отработавших газов.

В идеале, расстояние между клапаном и стенкой камеры сгорания должно быть таковым, чтобы при поднятии клапана на высоту 2,5 мм, стенка камеры сгорания находилась на расстоянии 2,5 мм, при поднятии клапана на высоту 5 мм, стенка соответственно находилась на расстоянии 5 мм и т.д. В таком случае, интенсивность потока воздуха была бы оптимальной, однако, степень сжатия была бы слишком малой, сгорание топливовоздушной смеси было бы медленным и не эффективным. При этом просто необходимо прийти к компромиссу. Два края камеры сгорания могут быть расточены настолько, чтобы не нарушить целостности прокладки, иначе, она не сможет обеспечивать герметичность. На впускном клапане нам необходимо обеспечить примерно 0,9 от подъема клапана со стороны внешнего радиуса и примерно 0,65 со стороны внутреннего радиуса. Стенки камеры сгорания могут быть расположены значительно ближе к краям выпускного клапана: примерно 0,7 со стороны внешнего радиуса клапана и примерно 0,55 со стороны внутреннего радиуса.

Современные двигатели оснащены полусферическими камерами сгорания и клапанам, расположенными под углом. За редким исключением, камеры сгорания подобной конструкции не способствуют перекрытию клапанов. Поэтому модификации камеры сгорания не обязательны, если только не присутствует какой-либо дефект. Рекомендуется сосредоточить внимание на модификации гнезда и седла клапана.

Все головки клапана нуждаются в многогранной полировке седла клапана, чтобы обеспечить нормальную интенсивность потока воздуха, и что еще более важно, отличную герметизацию на длительное время. В действительности, поверхность седла должна быть обработана под углом 45°, на 1,27 мм в ширину для впускного и на 1,78 мм для выпускного клапана. Внешний диаметр седла должен быть на 0,4 – 0,5 мм меньше диаметра впускного клапана и до 0,3 мм меньше диаметра выпускного клапана.

Верхняя фаска для посадки седла в камеру сгорания должна быть выполнена под углом 30° и должна быть достаточно широкой, чтобы запрессовать седло, обработанное под углом 45° в верхнюю часть камеры. Подрезка обычно выполняется под углом 60°, однако точнее всего это можно определить, используя специальный стенд, так как некоторые впускные клапаны могут обеспечить достаточно интенсивный поток воздуха при подрезке 70° - 75°, при этом выпускные клапаны будут нуждаться в подрезке под углом 55° - 70°.

Некоторые любители тюнинга используют более узкие седла, чем было предложено ранее; стоит заметить, что это не слишком разумно при использовании автомобиля в нормальных дорожных условиях. Более узкие седла эффективны только при высоком подъеме клапана, при подъеме клапана на малую и среднюю высоты, интенсивность потока воздуха будет снижаться. К тому же, узкая посадочная часть клапана в процессе работы более склонна к прогоранию, что приведет, в свою очередь, к ухудшению технических характеристик. При нагревании часть тепла уходит через седло клапана. Если седло клапана не обработано должным образом, головка клапана перегревается, деформируется и в конечном итоге перегорает.

Необходимо выполнить подрезку седла клапана на 1,3- 1,5 мм, чтобы продлить срок его службы. Внешний диаметр седла должен быть на 0,5 мм меньше диаметра головки клапана. Так как мы хотим увеличить подъем клапана, чтобы обеспечить соответствующую интенсивность потока, подрезку верхней части необходимо выполнять под углом 30° на 1 мм в ширину. Подрезка нижней части под углом 60° увеличит ширину до 2,5 мм.

Седло выпускного клапана должно быть немного шире, во избежание перегрева. Внешний диаметр подрезки под углом 45° практически такой же, как и диаметр головки клапана, так как при нагревании размеры клапана увеличатся. Ширина подрезки верхней части под углом 30° не существенна. В действительности, подрезка выпускного клапана поможет предотвратить обратное всасывания смеси. Если стенд не доступен, используйте подрезку нижней части под углом 60°.

Тепло также может уходить через направляющую клапана в систему охлаждения двигателя, поэтому убедитесь в отсутствии чрезмерного износа направляющей и стержня клапана. Прежде всего, направляющая клапана отвечает за точное направление клапана в седло для обеспечения газового затвора. По мере износа направляющей и стержня клапан будет качаться из стороны в сторону по мере опускания, поэтому седло будет изнашиваться неравномерно. Передача тепла будет сокращаться, поэтому головка клапана будет деформироваться и со временем прогорит. В некоторых двигателях проблема может иметь более серьезные последствия, чем повреждение клапана. Если клапан перегреется, а двигатель будет работать на повышенных оборотах, головка клапана может согнуться на несколько градусов по отношению к стержню клапана. Каждый раз при опускании, головка клапана будет становиться по-разному, что может, в конце концов, привести к утомлению седла. Затем головка клапана снова начнет движение по поршню, разрушая его. Обычно клапаны, сваренные из двух элементов чаще всего подвержены такого рода неисправностям, однако в действительности все дело в изношенных направляющих и седлах клапана.

Износ направляющих можно точно измерить только после удаления налета сажи. Обычно зазор не должен превышать 0,03- 0,07 мм для впускного клапана и 0,04- 0,1 мм для выпускных клапанов. Не опирайтесь на свое чутье, данные подобных измерений зазора должны быть точными, чтобы убедиться, что они соответствуют норме. Если зазор слишком большой, направляющие необходимо будет подогнать, и установить клапаны со стержнями рабочих размеров. Кроме того, можно установить новые направляющие, а стержни старых клапанов могут быть «отпараллелены».

Изношенные направляющие клапанов приводят к попаданию масла в двигатель, неполному сгоранию и детонации, также причиной этому может быть отсутствие эффективных маслоотражающих колпачков и маслоотражателей. Лично я бы не рекомендовал использовать тефлоновые маслоотражающие колпачки, которые давят на направляющую клапана. В двигателях гоночных автомобилей, где износ клапанов не играет роли (поскольку ресурс двигателя рассчитан на одну – две гонки), они работают нормально. Однако при использовании автомобиля в стандартных дорожных условиях, когда зазор между направляющей и стержнем клапана идеален только в течение первых нескольких тысяч пробега, они просто не будут работать должным образом.

Если пространство позволяет, я рекомендую установить стандартные колпачки «зонтичного» типа, которые плотно прилегают к стержню клапана под тарелкой клапана. К сожалению, данные колпачки не всегда подходят к внутренним пружинам клапана и могут мешать работе тарелки клапана.

Другой тип – это маслоотражающие колпачки кольцевого типа, расположенные между стержнем клапана, тарелкой клапана и колпачком. Этот тип маслоотражающих колпачков не настолько эффективен, как «зонтичный», однако он будет работать нормально вместе с тефлоновыми колпачками и маслоотражателем.

Использование маслоотражающих колпачков неподходящего типа и снятие маслоотражателя являются наиболее распространенными причинами чрезмерного расхода моторного масла, очень часто данной проблеме не придают должного значения. Я видел модифицированные двигатели, которые при работе на холостых оборотах производили дым. При ближайшем рассмотрении оказалось, что был неисправен маслоотражающий колпачок. Замена маслоотражающего колпачка устранила данные неполадки и привела к сокращению расхода топлива. Большое количество гоночных команд используют маслоотражающие колпачки «зонтичного» типа при производстве двигателей рассчитанных для долгосрочного использования. В некоторых случаях удалось вдвое сократить расход моторного масла. Двигатели с верхним расположением распредвала с гидротолкателями, установленными на стержень и пружину клапана, не оснащены маслоотражающими колпачками, так как непосредственно толкатели и препятствуют попаданию масла на стержень клапана. Однако в условиях высокого давления пары масла могут попасть вниз по направляющей впускного клапана. Чтобы избежать этого, можно установить тефлоновые маслоотражающие колпачки, плотно прилегающие к направляющей, на впускные клапаны, при этом образование налета сажи и расход моторного масла значительно сократятся.

Чтобы головка плотно прилегала к блоку цилиндров, она должна быть плоской, с устойчивой и жесткой платформой, и, конечно же, необходимо использовать подходящую прокладку головки блока цилиндров. Большинство головок из сплавов могут испытывать трудности с уплотнением вследствие слишком тонкой, гибкой платформы, если было сточено более 0,7- 1 мм для уменьшения объема камеры сгорания. Некоторые головки блока цилиндров из чугуна оснащены настолько плотной платформой, что при необходимости можно сточить до 2,5 мм поверхности. Верхним пределом стачивания является 1,3- 1,5 мм и в большинстве случаев этого должно быть достаточно, чтобы восстановить необходимый объем камеры сгорания после растачивания клапанов. Чугунные головки блока цилиндров автомобиля Chevrolet, изготовленные примерно после 1977 года, были тоньше для снижения массы двигателя. Данные головки блока цилиндров не стоит стачивать более, чем на 0,5 мм, чтобы избежать проблем с прокладкой. Поскольку более ранние головки блока цилиндров имеют прямой край платформы под свечами зажигания, более поздние легкие головки блока цилиндров имеют выступ между отверстиями головки цилиндров под каждой свечей зажигания.

Лишь некоторые современные двигатели подвержены неполадкам вследствие нарушения уплотнения, при условии выбора подходящей прокладки головки блока цилиндров. Как правило, заводская прокладка головки блока цилиндров будет работать нормально. Конечно, если двигатель был значительно модифицирован, более чем это необходимо, возможно стандартная прокладка будет соскальзывать.

Более тонкие чугунные головки блока цилиндров автомобилей Chevrolet не стоит стачивать более чем на 0,5 мм, чтобы избежать проблем с уплотнением.

Чтобы избежать деформации головки блока цилиндров соблюдайте последовательность затяжки болтов крепления, указанную производителем. Увеличивайте силу затяжки постепенно в 4 этапа. При снятии головки блока цилиндров порядок снятия болтов крепления будет обратным.

Если в вашем автомобиле установлена головка блока цилиндров из сплавов, необходимо использовать только специально предназначенную для такого типа головки прокладку. Тонкая мягкая регулировочная прокладка, изготовленная из стали, будет достаточно эффективной при условии правильной установки на чугунную головку блока цилиндров, однако она не будет работать при установке на головку блока цилиндров из сплавов. Устанавливать мягкие стальные прокладки нужно так, чтобы канавки, выдавленные в ней, были направлены вверх. Большинство прокладок изготовлено из композиционного материала, обеспечивающего теплоизоляционные и уплотняющие свойства. Некоторые прокладки покрыты герметиком, чтобы избежать утечек. Ни в коем случае не удаляйте герметик растворителем, так как он способствует предотвращению попадания воды и масла между головкой блока цилиндров и самим блоком. Независимо от материала, из которого изготовлена прокладка, я всегда использую герметик Rolls-Royce Hylomar для медных, стальных и асбестовых прокладок, или нетвердеющий герметик Permatex No.3 для прокладок из мягкой стали и композиционного материала. Если прокладки предварительно покрыты герметиком, я наношу небольшое количество герметика на область вокруг отверстий цилиндров.

После установки головки блока цилиндров, резьбу болтов крепления необходимо обновить и смазать, чтобы обеспечить прочную затяжку. При повреждении резьбы возможна разгерметизация водяной рубашки. В таком случае, необходимо нанести герметик Silatic RTV. Затем выполните затяжку болтов крепления в последовательности, рекомендованной производителем. При снятии головки блока цилиндров последовательность будет обратной. Чтобы избежать деформации головки блока цилиндров я всегда выполняю затяжку постепенно. Например, если момент затяжки составляет 108,5 Н·м, сначала необходимо последовательно затянуть все болты до 40 Н·м, затем до 67 Н·м, 95 Н·м и потом до упора. Примерно через 15 минут, проверьте момент затяжки всех болтов крепления. Данный пример приведен для головки блока цилиндров из сплавов. Если на Вашем автомобиле установлена чугунная головка блока цилиндров, необходимо прогреть двигатель до нормальной рабочей температуры, затем проверить затяжку всех болтов крепления. Завершающие действия по установке прокладки необходимо выполнить примерно через 480 км пробега. После этого необходимо выполнить повторную затяжку всех болтов крепления до необходимого момента, не зависимо от того, из какого материала изготовлена головка блока цилиндров.