Головка цилиндров вместе с их стенками, а также днищами поршней, формирует камеры сгорания. Головка цилиндров может иметь различную конструкцию, которая зависит от:
– формы камеры сгорания;
– расположения клапанов;
– наружных трубопроводов;
– системы охлаждения.
Широкое распространение получили карбюраторные двигатели внутреннего сгорания с верхним расположением клапанов, которые имеют полусферические (II) [рис. 1, а)] камеры сгорания с двусторонним поперечным либо односторонним продольным размещением, а также клиновидные (III) [рис. 1, а)] камеры сгорания с односторонним расположением клапанов в ряд. Двухклапанные головки цилиндров (двигатель ЗИЛ-130) имеют клиновидную камеру сгорания, а в двигателе ЗМЗ-53 – полуклиновидную камеру сгорания с односторонним расположением клапанов в ряд. Отливка головок выполняется из алюминиевого сплава со вставными направляющими клапанов и сёдлами. Впускные каналы в таких головках цилиндров создают турбулизацию рабочего заряда, а также его интенсивное вращение в цилиндре. Двигатели, выпускаемые ранее (например, ЗМЗ-51, ЗМЗ-52, ЗИЛ-120) отличались относительно невысокими экономическими и энергетическими показателями вследствие значительной площади поверхности охлаждения камеры сгорания, низких антидетонационных свойств камеры сгорания, гидравлических потерь в процессе перетекания газа из камеры в цилиндр [рис. 1, а) (IV)].
Рис. 1. Формы камер сгорания различных двигателей.
а) – Камера сгорания карбюраторного двигателя;
б) – Камера сгорания дизельного двигателя;
I) – Цилиндрическая камера сгорания;
II) – Полусферическая камера сгорания;
III) – Клиновидная камера сгорания;
IV) – Г-образная (смещённая) камера сгорания;
V) – Неразделённая камера сгорания;
VI) – Неразделённая камера сгорания;
VII) – Разделённая камера сгорания;
VII) – Разделённая камера сгорания;
1) – Клапан;
2) – Искровая свеча зажигания;
3) – Форсунка;
4) – Камера сгорания;
5) – Предкамера;
6) – Основная камера;
7) – Вихревая камера.
Конструкция головки цилиндра дизельного двигателя зависит не только от способа смесеобразования, но и от типа камеры сгорания. В ДВС с непосредственным впрыском (А-01, СМД-60, А-41, Д-240), двигателях семейства КамАЗ и ЯМЗ двухклапанные головки цилиндров с верхним расположением клапанов имеют относительно простую форму: неразделённые (V) и (VI) [рис. 1, б)] камеры сгорания, как правило, располагают в поршне, форсунку устанавливают вертикально либо наклонно (с незначительным смещением от оси цилиндра). Впускные и выпускные клапаны при этом легко вписываются в окружность цилиндра. В подобных дизельных двигателях впускные каналы изготавливаются тангенциальными либо винтовыми, с целью получения интенсивных воздушных вихрей.
Головки цилиндров дизельных двигателей ранних выпусков, имевших раздельные камеры сгорания (предкамерные КДМ-100 и вихрекамерные СМД-14, Д-50) отличаются сложностью конструкции. Предкамеры и вихревые камеры зачастую выполнялись разделёнными (VII) и (VIII) [рис. 1, б)].
В некоторых моделях однорядных, а в особенности V-образных дизельных двигателях широкое распространение получили двухклапанные головки со впускными и выпускными каналами, выведенными в разные стороны. Подобное расположение позволяет увеличить их поперечное сечение, а также снизить подогрев свежего заряда.
С целью уменьшения инерционных нагрузок и увеличения площади проходных сечений клапанов на детали ГРМ (газораспределительный механизм) иногда устанавливают по четыре клапана на цилиндр.
В блочных конструкциях головки цилиндров выполняются в виде отливки (для одного ряда цилиндров). Для основной массы современных дизельных двигателей материалом для отливки головки цилиндров служит низколегированный серый чугун.
Головка цилиндров дизельного двигателя Д-240 [рис. 2, а)] устроена следующим образом. Напротив каждого цилиндра (со стороны нижней плоскости головки цилиндров (3)) расточены два отверстия – седла, чьи кромки скошены под углом 45 градусов и являются опорными поясками для впускного и выпускного клапанов (1). Над каждым седлом (в верхней части головки) в вертикальное отверстие запрессована направляющая биметаллическая втулка (2) клапана (1).
Рис. 2. Головка цилиндров в сборе с клапанным механизмом.
а) – Головка цилиндров дизельного двигателя Д-240;
б) – Прокладка головки цилиндров;
в) – Головка цилиндров дизельного двигателя семейства КамАЗ;
1) – Впускной и выпускной клапаны;
2) – Направляющие втулки клапанов;
3) – Головка цилиндров;
4) – Крышка головки цилиндров;
5) – Колпак крышки;
6) – Ось коромысел;
7) – Коромысло;
8) – Впускной канал;
9) – Форсунка;
10) – Стакан форсунки;
11) – Выпускной канал;
12) – Отверстие для прохода охлаждающей жидкости в блок-картер;
13) – Полость для охлаждающей жидкости;
14) – Штанга;
15) – Манжета с пружиной;
16) – Опорное кольцо;
17) – Чугунные сёдла клапанов;
18) – Стальной каркас прокладки;
19) – Асбестовые листы;
20) – Окантовка.
Внутри головки цилиндров отверстия для клапанов переходят во впускные (8) и выпускные (11) каналы. Выпускной трубопровод прикреплён к головке цилиндров с левой стороны, а впускной трубопровод – сверху. Сверху на головке цилиндров смонтирован клапанный механизм и крышка (4), которая закрывается колпаком (5).
Внутренняя полость (13) головки (3) цилиндров является жидкостной рубашкой. Она соединяется с аналогичной плоскостью блок-картера посредством отверстий (12) в нижней плоскости головки, которые совпадают с соответствующими отверстиями, расположенными в блок-картере. Штанги (14) проходят через восемь сквозных отверстий у левой стенки головки.