Hlava valcov spaľovacieho motora

Pojem hlava valcov nevznikla náhodne. Podobne ako v hlave človeka, aj v hlave valcov sa odohrávajú najzložitejšie a najdôležitejšie činnosti spaľovacieho motora. Hlava valcov je teda časť spaľovacieho motora, nachádzajúca sa v jeho hornej (vrchnej) časti. Je pretkaná kanálmi pre sací a výfukový trakt, nachádzajú sa v nej časti ventilového rozvodu, vstrekovacie trysky a zapaľovacie alebo žeraviace sviečky. Hlava valcov zhora uzatvára blok valcov. Hlava môže byť jedna pre celý motor, zvlášť pre každý valec, alebo zvlášť pre samostatnú radu valcov (V motor). K bloku valca je pripevnená skrutkami alebo svorníkmi.

Funkcie hlavy valcov

• Tvaruje spaľovací priestor – tvorí kompresný priestor alebo jeho časť.
• Zabezpečuje výmenu náplne valca (4-taktný motor).
• Zabezpečuje chladenie spaľovacieho priestoru, sviečok a ventilov.
• Uzatvára plynotesne a vodotesne spaľovací priestor.
• Zabezpečuje umiestnenie zapaľovacej (žeraviacej) sviečky alebo vstrekovača.
• Zachytáva a usmerňuje spaľovací tlak – vysoké namáhanie.

Rozdelenie hláv valcov

• Hlavy valcov dvojtaktných a štvortaktných motorov.
• Hlavy valcov zážihových a vznetových motorov.
• Hlavy chladené vzduchom alebo vodou.
• Hlavy samostatne pre jeden valec, hlava pre radový alebo V-motor.
• Hlava valcov a druh rozvodového mechanizmu.

Tesnenie hlavy valcov

Medzi hlavou valcov a blokom motora sa nachádza tesnenie, ktoré hermeticky uzatvára spaľovací priestor a zabraňuje unikaniu (miešaniu) oleja a chladiacej kvapaliny. Tesnenia delíme na tzv. kovové a kombinované.

Kovové, teda medené alebo hliníkové tesnenia sa používajú pri malých rýchlobežných motoroch, chladených vzduchom (skútre, dvojtaktné motocykle do 250 ccm). Pri vodou chladených motoroch sa používa tesnenie, ktoré sa skladá z časti tvorenej organickými vláknami, sýteným grafitom, spojené na báze plastických hmôt, nanesené na kovovom nosiči.

Veko hlavy valcov

Dôležitou časťou hlavy valcov je aj veko, ktoré kryje ventilový rozvod a zabraňuje unikaniu oleja do okolia motora.

Základná charakteristika pre hlavu valcov dvojtaktného motora

Hlava valcov pre dvojtaktné motory je spravidla jednoduchá, chladená vzduchom (má na povrchu rebrovanie) alebo kvapalinou. Spaľovací priestor môže byť symetrický, šošovkovitého alebo poľgulatého tvaru, často s antidetonačnou štrbinou. Závit pre zapaľovaciu sviečku je umiestnený v osi valca. Zhotovená môže byť buď zo šedej liatiny (staršie konštrukcie motorov) alebo z hliníkovej zliatiny (používané v súčastnosti). Spojenie hlavy dvojtaktného motora s blokom motora môže byť buď závitové, prírubové, spojené prieťahovými skrutkami alebo aj cez nedelenú hlavu.

Základná charakteristika pre hlavu valcov štvortaktného motora

Konštrukcia hlavy u štvortaktných motorov musí zabezpečovať aj výmenu náplne valcov motora. Sú v nej umiestnené sacie a výfukové kanály, časti rozvodového mechanizmu ovládajúceho ventily, samotné ventily spolu s ich sedlami a vodítkami, závit pre upevnenie zapaľovacej (žeraviacej) sviečky a vstrekovača, kanály pre prietok mazacieho a chladiaceho média. Tvorí aj časť spaľovacieho priestoru. Konštrukčne aj tvarovo je teda oproti hlave valcov dvojtaktného motora nepomerne zložitejšia. Hlava valcov štvortaktného motora sa vyrába buď zo šedej jemnozrnnej liatiny, legovanej liatiny, kovanej ocele – tzv. oceľoliatiny alebo z hliníkových zliatin v prípade kvapalinou chladených motorov. V prípade vzduchom chladených motorov sa používajú buď hliníkové zliatiny alebo liatina. Liatina ako materiál na výrobu hlavy sa už takmer nepoužíva a nahradila ju hliníková zliatina. Rozhodujúcim hľadiskom pre výrobu z ľahkého kovu nie je ani tak podstatne nižšia hmotnosť, ale najmä vynikajúca tepelná vodivosť. Keďže spaľovací proces prebieha v hlave valcov čo vedie k silnému zahriatiu v tejto časti motora, musí byť teplo čo najrýchlejšie predané chladiacej kvapaline. A nato je hliníková zliatina veľmi vhodným materiálom.

Spaľovací priestor

Veľmi dôležitou časťou hlavy valcov je aj spaľovací priestor. Musí mať správny tvar. Medzi hlavné požiadavky na spaľovací priestor patrí:

• Kompaktnosť obmedzujúca tepelné straty.
• Umožnenie použitia maximálneho počtu ventilov alebo dostatočný priemer ventilu.
• Optimálne rozvírenie náplne valca.
• Umiestnenie sviečky do miesta s najbohatšou zmesou na konci kompresie.
• Vyvarovanie sa detonačnému horeniu.
• Potlačenie horúcich bodov.

Tieto požiadavky sú veľmi dôležité, pretože spaľovací priestor ovplyvňuje tvorbu HC, rozhoduje o priebehu spaľovania, má vplyv na spotrebu paliva, hlučnosť spaľovania a priebeh krútiaceho momentu. Spaľovací priestor tiež určuje maximálny kompresný pomer a ovplyvňuje tepelné straty.

Tvary spaľovacích priestorov

a – Vanový, b – Polguľový, c – Klinový, d – Asymetrický polguľový, e – Heronov-v pieste

Sanie a výfuk

Sacie aj výfukové kanály sú zakončené ventilovým sedlom buď priamo v hlave valcov alebo vloženým sedlom. Priame sedlo ventilu je vytvarované priamo v materiáli hlavy alebo môže byť tzv. vkladané sedlo, vyrobené z kvalitných legovaných materiálov. Styčné plochy sú brúsené presne na mieru. Uhol skosenia dosadacej plochy ventilu býva najčastejšie 45°, pretože pri tejto hodnote sa dosahuje dobrá tesnosť pri uzavretom ventile a samočistenie dosadacej plochy. Sacie ventily majú niekedy uhol skosenia 30°, pre lepšie prúdenie v priestore sedla.

Vodítka ventilov

Ventily sa pohybujú vo vodítkach ventilov. Vodítka ventilov môžu byť vyrobené buď z liatiny, zliatiny hliníka a bronzu alebo sú priamo zhotovéné v materiáli hlavy valcov.

Ventily v hlave valcov motora

Vo vodítkach sa pohybujú a na sedlá dosadajú samotné ventily. Ventil ako časť ventilového rozvodu piestových spaľovacích motorov je pri práci zaťažovaný mechanicky a tepelne. Po mechanickej stránke je najviac zaťažovaný tlakom spalín v spaľovacom priestore, tiež ovládacou silou smerujúcou od vačky (zdvíhadla), zotrvačnou silou pri vratnom pohybe a aj samotným mechanickým trením. Nemenej významné je aj tepelné namáhanie, nakoľko na ventil pôsobí najmä teplota v spaľovacom priestore, ale aj teplota okolo prúdiacich horúcich spalín (výfukové ventily). Práve výfukové ventily najmä pri preplňovaných motoroch sú extrémne tepelne zaťažené a lokálne môže teplota dosahovať až 900 °C. Odvod tepla je možný do sedla pri zavretom ventile a do drieku ventilu. Prestup tepla z hlavy do drieku možno zvýšiť naplnením dutiny vo vnútri ventilu vhodným materiálom. Najčastejšie sa používa skvapalnený plyn sodík, ktorý naplní dutinu drieku len do polovice, takže pri pohybe ventilu dochádza k intenzívnemu omývaniu vnútorného priestoru tekutou náplňou. Dutina drieku sa vyrobí pri menších (osobných) motoroch vyvŕtaním otvoru,  pri väčších motoroch môže byť dutá aj časť hlavy ventilu. Driek ventilu býva pochrómovaný. Tepelné zaťaženie je teda pre rôzne ventily nerovnomerné, závisí aj od samotného priebehu spaľovania a spôsobuje vo ventile tepelné napätia.

Priemer hlavy sacích ventilov býva väčší, ako u výfukových ventilov. Pri nepárnom počte ventilov (3, 5) na jeden jeden valec, je väčší počet sacích ventilov ako výfukových. Je to spôsobené požiadavkou na dosiahnutie čo najväčšieho – optimálneho merného výkonu, a teda čo najlepšie naplnenie valca zápalnou zmesou paliva a vzduchu.

Na výrobu sacích ventilov sa väčšinou používajú ocele s perlitickou štruktúrou, legované kremíkom, niklom, wolfrámom atď. Občas sa používa aj zliatina titánu. Tepelne namáhané výfukové ventily sa vyrábajú z vysoko legovaných (chróm a nikel) ocelí s austenitickou štruktúrou. Na dosadaciu plochu sedla sa ešte navaruje kalená nástrojová oceľ alebo iný špeciálny materiál napr. stelit (netvárna zliatina kobaltu s chrómom, uhlíkom, wolfrámom alebo inými prvkami).

Dvojventilová hlava valcov

Trojventilová hlava valcov

Štvorventilová hlava valcov

Päťventilová hlava valcov