Głowica
Głowica cylindrów służy jako górne zamknięcie wnętrza cylindrów za pomocą śrub dwustronnych. Szczegóły budowy głowicy zależne są od rodzaju silnika, sposobu jego chłodzenia, systemu i napędu rozrządu, kształtu komór spalania i innych czynników. Głowice silników dolno-zaworowych są bardzo proste konstrukcyjnie (patrz rys. 4.2). Powszechnie stosowane obecnie silniki górnozaworowe mają głowice bardziej skomplikowane (rys. 4.9) ze względu na umieszczenie w nich części rozrządu (rys. 4.10).
Głowica rzędowego silnika chłodzonego wodą jest z reguły jednolita, natomiast silniki chłodzone powietrzem mają zwykle głowice dzielone, zamykające jeden lub dwa sąsiednie cylindry.
Pokrywa głowicy zamyka od góry głowicę silnika górnozaworowego. Pokrywy wykonywane są z reguły z blachy stalowej.
Śruby mocujące głowicę rozmieszczone są tak, aby zapewniały równomierny rozkład nacisków w miejscach przylegania głowicy do bloku cylindrów W celu uzyskania należytej szczelności między blokiem i głowicą cylindrów konieczne jest dociągnięcie nakrętek śrub mocujących odpowiednią siłą i według określonej kolejności. W głowicach ze stopów lekkich pod nakrętki śrub nakłada się podkładki, w celu uniknięcia uszkodzenia głowicy podczas jej dokręcania.
W głowicy silnika jest umieszczona cała lub część komory spalania. W głowicy znajdują się także kanały ssące i wydechowe oraz zawory i ich gniazda, a także gniazda świec zapłonowych. W związku z tym głowica jest jednym z głównych elementów silnika.
Głowice są z reguły odlewane. Aby uniknąć naprężeń odlewniczych i cieplnych, przejścia między ściankami głowicy wykonuje się możliwie dużymi promieniami, a także unika się większych miejscowych zgrubień. Kształt komór spalania powinien umożliwiać łatwą ich obróbkę, gdyż gładkość powierzchni ma znaczny wpływ na sprawność spalania. Kanały ssące i wydechowe w głowicy zwężają się łagodnie w kierunku jej wnętrza. Oprócz tego wskazane jest, aby kanały te miały jak najmniej zakrętów i zmian przekroju.
W silnikach mniej wysilonych kanały ssące i wydechowe są zwykle łączone po dwa. W silnikach bardziej wysilonych każdy zawór powinien mieć w głowicy oddzielny kanał. W nowoczesnych silnikach coraz częściej stosowane jest wyprowadzanie kanałów ssących i wydechowych na przeciwległe strony głowicy. Wprawdzie utrudnia to podgrzewanie przewodu ssącego, ale umożliwia stosowanie kanałów o prostym kształcie i dużym przelocie.
Ze względu na odmienne cechy konstrukcyjne rozróżnia się głowice silników chłodzonych cieczą i głowice silników chłodzonych powietrzem. Głowice silników chłodzonych cieczą odlewane są z żeliwa lub stopów aluminium. Mają one konstrukcje skrzyniowe, w których cieńsza płyta górna połączona jest z grubszą płytą dolną ściankami bocznymi. Dodatkowe usztywnienia wewnętrzne stanowią słupki na śruby, kanały ssące i wydechowe oraz gniazda świec zapłonowych.
W głowicach silników chłodzonych cieczą sprawą bardzo istotną jest równomierność chłodzenia. W tym celu strumień cieczy chłodzącej kierowany jest najpierw przez przełęcz między zaworami, omywa gniazdo świecy, a następnie kanały wydechowe. Ponieważ w miarę przepływania cieczy przez głowicę nagrzewa się ona coraz bardziej, w dużych głowicach stosuje się kanały o zwiększającym się przekroju. Ciecz odpływa z głowicy w najwyższym jej punkcie. Ciecz musi być w stałym obiegu, gdyż tylko w ten sposób można zapobiec powstawaniu korków parowych, które mogłyby doprowadzić w konsekwencji do miejscowego przegrzania i pęknięcia głowicy.
Głowice silników chłodzonych powietrzem wykonywane są zwykle jako oddzielne na jeden lub dwa cylindry (patrz 18 na rys. 4.4). Ułatwia to i stwarza bardziej prawidłowe warunki chłodzenia wszystkich punktów najbardziej obciążonych cieplnie. Głowice odlewane są ze stopów aluminium, które znacznie lepiej odprowadzają ciepło niż żeliwo.
Największe obciążenia cieplne występują w okolicy zaworów wydechowych, w przełęczach między nimi oraz w Okolicy świecy zapłonowej. W tych miejscach głowica powinna być silnie użebrowana. Żebra mają z -reguły w przekroju kształt trapezowy o średniej grubości ok. 2 mm. Aby zmniejszyć jak najbardziej nagrzewanie głowicy przez spaHny, kanały wydechowe wykonuje się możliwie krótkie i o prostych kształtach.
Podstawowe wymagania, które powinien spełniać materiał na głowicę silnika, są następujące:
dobre przewodnictwo cieplne, sprzyjające szybkiemu odprowadzaniu ciepła od miejsc szczególnie obciążonych cieplnie i zapobiegające miejscowym przegrzaniom;
duża wytrzymałość mechaniczna, zapewniająca bezawaryjną pracę silnika przy uderzeniach i wstrząsach podczas pracy;
odpowiednia plastyczność, umożliwiająca przy dociąganiu śrub lub nagrzewaniu się przejęcie części naprężeń kosztem odkształceń plastycznych;
wysoka odporność na cykliczne obciążenia;
odpowiednia odporność na korozję atmosferyczną (powierzchnia zewnętrzna), na korozję w wodzie zawierającej nieraz różne sole (wewnętrzne kanały chłodzące) i na korozję w wysokiej temperaturze gazów (komory spalania);
jak najmniejszy ciężar właściwy;
dobre własności odlewnicze, umożliwiające otrzymanie dokładnych wymiarów I skomplikowanych kształtów wewnętrznych;
możliwość łatwej obróbki skrawaniem.
Podane wymagania w największej mierze spełniają szare żeliwo i odlewnicze stopy aluminium.
Przez wiele lat głowice były wykonywane z żeliwa szarego, które ma dobre własności mechaniczne, jest tanie i łatwe do obróbki w masowej produkcji. Jednak stosowanie coraz bardziej wysilonych silników skomplikowało warunki pracy głowicy, a to z kolei spowodowało konieczność zastąpienia zwykłego żeliwa szarego — żeliwem stopowym.
Mikrostruktura żeliwa stopowego, które jest stosowane na głowice, zwykle składa się z drobnych płytek perlitu z równomiernie rozmieszczonymi wtrąceniami średniej wielkości płytek grafitu. Domieszka fosforu ograniczona jest do 0,08-4-0,15%. Niedopuszczalne są wtrącenia węglika, gdyż znacznie utrudniają obróbkę skrawaniem żeliwa. Ilość ferrytu, obniżającego wytrzymałość żeliwa, nie powinna przekraczać
5-4-7%.
W USA na głowice często stosowane jest żeliwo stopowe o następującym składzie: 3,5-4-3,7% C, 2,1-4-2,2% Si, 0,7-4-0,8% Mn, 0,20-4--4-0,25% Ni, 0,15-4-0,20% Cr, nie więcej niż 0,05% P i 0,1% S.
W dążeniu do zmniejszenia ogólnego ciężaru silnika i lepszego odprowadzania ciepła wiele wytwórni zastępuje żeliwa stopowe stopami aluminium z krzemem i miedzią. W produkcji masowej najczęściej stosowaną metodą odlewania głowic jest odlewanie w kokilach.
W ZSRR głowice odlewane są z takich samych stopów aluminium, jak i kadłuby silników. W USA powszechnie stosowany jest stop aluminium o następującym składzie: 4,5-4-5,5% Si, 1,0-4-1,5% Cu, 0,4-4--4-0,6% Mg oraz nie więcej niż 0,8% Fe, 0,5% Mn, 0,25% Cr, 0,35% Zn, 0,25% Ti,