Wiele się o niej słyszy, każdy obawia się jej awarii, a jej sprawny stan techniczny jest kluczowy dla prawidłowej eksploatacji. Głowica cylindrów to chyba najistotniejszy element silnika, bo pod nią zachodzą wszystkie procesy, dzięki którym silnik w ogóle działa. Z biegiem czasu element ten nabierał coraz bardziej zróżnicowanych kształtów. Można też powiedzieć, że to, co dzieje się w cylindrach wpływa znacząco na poprawę parametrów silnika.

W tym artykule opiszemy ogólne zadania głowicy cylindrów oraz jej główne cechy i typy.

Głowica cylindrów – co to? Definicja.

Głowica cylindrów jest bardzo skomplikowaną częścią silnika spalinowego. Poza uszczelnieniem bloku cylindrów, obejmuje również wiele innych elementów, takich jak wtryskiwacze, wałki rozrządu, zawory, kanały dolotowe i wydechowe, świece zapłonowe i wtryskiwacze.

Ponieważ w cylindrach odbywa się spalanie mieszanki, są one jedną z najbardziej obciążonych części silnika. Obciążenie to wynika z ciśnienia gazów spalinowych i sił zginających, które oddziałują na śruby głowicy cylindrów. W zakres tych obciążeń wchodzą również obciążenia pośrednie, obejmujące wpływ termiczny na część zwróconą w stronę komory spalania oraz naprężenia spowodowane rozszerzalnością cieplną wskutek nierównomiernego nagrzania.

W danym cyklu roboczym temperatura wewnątrz komory spalania mieści się w zakresie od 100 do 2000°C. Temperatura po stronie zwróconej ku komorze spalania zmienia się tylko o kilka stopni z powodu bezwładności cieplnej, ale z częstotliwością odpowiadającą cyklom roboczym silnika. Wynika z tego, że zjawisko to powoduje naprężenia zmęczeniowe w materiale wykonania głowicy.

W przypadku głowicy cylindrów odkształcenia nie są dopuszczalne lub są dopuszczalne tylko w minimalnym stopniu, więc musi być ona wystarczająco sztywna, w przeciwnym razie zawory nie będą w stanie szczelnie się zamknąć, co może doprowadzić do ich zniszczenia, a także wycieków płynu chłodniczego i paliwa, a także drastycznego spadku wydajności silnika.

Podstawowe typy w zależności od sterowania i pozycji zaworów

Szybko stało się jasne, że w silniku spalinowym potrzebna jest zdejmowana głowica cylindra. Początkowo nie było to oczywiste, ale konstrukcja monoblokowa uniemożliwiała wykonanie niektórych niezbędnych modyfikacji.

Przez długi czas zadawano pytanie, w jakiej pozycji powinny znajdować się głowice cylindrów, w tym zawory i wałki rozrządu. Na podstawie tych dwóch parametrów powstały niezliczone warianty, spośród których opisujemy tylko kilka najważniejszych.

Być może ciężko w to uwierzyć dzisiejszemu czytelnikowi, ale w Stanach Zjednoczonych mniej więcej sto lat temu typowym rozwiązaniem była tzw. konstrukcja typu „flathead”. Nie była to głowica cylindrów w klasycznym rozumieniu. Ten typ silnika był przykładem jednostki ze sterowaniem bocznym i zaworami bocznymi, chociaż tutaj sterowanie jest raczej dolne niż boczne, ponieważ wałek rozrządu znajduje się poniżej tłoków.

Konstrukcja ta jest niezwykle prosta, co czyni ją niezawodną, ale układ rozrządu nie jest zbyt kompaktowy, więc jego bezwładność jest również większa. Układ taki wyszedł już dawno z użytku w miarę, jak silniki uzyskiwały coraz wyższe prędkości obrotowe.

Modele Ford T i A miały właśnie taki silnik, ale rozwiązania tego typu znajdziemy we wszystkich Fordach Flathead V8, a także w starych Cadillacach V16. Po II wojnie światowej był on stosowany tylko w kilku pojazdach wojskowych. Powodem takiego stanu rzeczy jest to, że układ SV został zastąpiony układem OHV (górnozaworowym), z rozrządem bocznym wykorzystującym popychacze. W USA takie silniki są produkowane do dziś, mimo upływu czasu od wynalezienia tej technologii.

Pozycja zaworów i wałka rozrządu jest bardzo podobna do rozwiązania typu SV, ale istotną różnicą jest to, że tutaj nasadka zaworowa jest skierowana w stronę komory spalania. Rozwiązanie takie jest jednak możliwe wyłącznie przy użyciu mechanizmu (wahacza) do zmiany kierunku ruchu popychacza.

Gdy krzywka wałka rozrządu popycha popychacz w górę, wahacz obraca się wzdłuż sworznia i popycha zawór w dół po drugiej stronie. Umożliwia to zaprojektowanie głowicy cylindrów w klasycznym sensie, ale sterowanie jest nadal powolne i trudne.

Takie silniki znajdziemy w amerykańskich samochodach wyczynowych i hobbystycznych. Podobnie, wiele europejskich i azjatyckich pojazdów również było wyposażonych w to rozwiązanie – np. większość modeli ze Związku Radzieckiego znanych pod marką Lada.

Kolejny etap w historii rozwoju to nadal stosowane silniki z górnym wałkiem rozrządu (OHC), w których rozrząd i zawory znajdują się w głowicy cylindrów, nad tłokami. Dzięki temu sterowanie i ruch zaworów są naprawdę szybkie. Wariantem tego rozwiązania jest układ DOHC (podwójny górny wałek rozrządu), podwójny wałek rozrządu, sterujący zaworami górnymi, który można znaleźć w prawie wszystkich nowoczesnych silnikach.

Dzięki temu głowica cylindra osiągnęła kształt, który znamy dzisiaj i nawet w Stanach Zjednoczonych konstrukcja ta dominuje.

Ciekawostką jest fakt, że choć układ DOHC jest uważany za najnowocześniejszą konstrukcję, jego początki mają ponad sto lat. Firma Peugeot używała takiego silnika już w 1912 r., podczas Grand Prix Francji, a firma Alfa Romeo z takiego rozwiązania korzystała już w 1914 r.

Tak więc prawda jest taka, że nie ma dużej różnicy wieku między różnymi konstrukcjami głowic cylindrów, po prostu wszyscy potrzebowali czasu, aby uświadomić sobie, w którym kierunku należy dalej się rozwijać.