A belső égésű motorok hengerfeje

Rengeteget hallunk róla, javításoknál mindenki retteg tőle, normál üzemben pedig kulcsfontosságú a működése. A hengerfej gyakorlatilag egyidős a belső égésű motorokkal, és mivel javarészt ebben az alkatrészben történnek a kulcsfontosságú momentumot az üzemanyag energiájának hasznosítása során, az idő előre haladtával egyre változatosabb formákat öltött. Úgy is mondhatnánk, hogy ami a belső égésű motorban a teljesítménynövelést jelenti, az szinte kivétel nélkül a hengerfejben történik – leszámítva a segédberendezéseket.

Ebben a cikkben leírjuk a hengerfej általános feladatait, valamint ismertetjük főbb jellemzőit és típusait.

Definíció, terhelések

A hengerfej egy rendkívül komplex és esszenciális alkatrésze a belső égésű motornak. A hengertömb síkjának lezárása mellett rengeteg egyéb elemet tartalmaz (például gyújtógyertya, befecskendezők, vezérműtengelyek, szelepek, szívó- és kipufogócsatornák), és minden esetben határolja vagy magában foglalja az égéstér egy részét vagy egészét.

Mivel az égés is benne történik, a bonyolult kialakítású öntvény a motor egyik legnagyobb igénybevételnek kitett eleme. Közvetlen terhelését az égési gáznyomás és a hengerfejcsavarok hajlítóterhelése adja, közvetett terhelése az égéstér felőli oldal hőhatásából és az egyenlőtlen felmelegedésből származó hőtágulás okozta feszültségekből áll.

Egy adott munkacikluson belül az égéstér belső hőmérséklete 100 és 2000 °C között változik. A hengerfej égéstér felőli oldalának hőmérséklete a hőtehetetlenség miatt csak néhány fokkal változik ugyan, de a motor munkaütemeinek megfelelő frekvenciával. Ebből az következik, hogy a jelenség a hengerfej anyagának gázoldali rétegében fárasztó igénybevételt kelt.

A deformáció nem vagy csak minimális mértékben megengedett a hengerfej esetén, ezért kellően merevnek kell lennie, ellenkező esetben a szelepek képtelenek tökéletesen zárni, így a szelepek és a szelepülékek záros határidőn belül tönkremennek, gáztömítetlenségek és hűtőfolyadék-szivárgás keletkezhet, mivel a hengerfejtömítés egyenletes leszorítónyomása csökkenni kezd.

Alaptípusok a vezérlés és a szelepek pozíciója szerint

Az hamar kiderült, hogy levehető hengerfejre van szükség egy belső égésű motorban. Ez kezdetben nem volt egyértelmű, ám a monoblokk kialakítás lehetetlenné tette néhány lényeges javítás elvégzését.

Az viszont sokáig kérdés maradt, hogy milyen helyzetben legyenek a hengerfejek, azon belül pedig a szelepek és a vezérműtengelyek. E két paraméter alapján számtalan variáns látott napvilágot, melyek közül a ismertetünk néhány fontosabbat.

Mai szemmel rendkívül idegennek hat, ám az Egyesült Államokban nagyjából egy évszázaddal ezelőtt meghatározó kialakítási mód volt az ún. „Flathead” kivitel, melyben nem is igazán beszélhetünk klasszikus értelemben vett hengerfejről. Ez ékes példája az oldalt vezérelt, oldalt szelepelt motoroknak (rövidítve SV), noha itt a vezérlés inkább alsó, mint oldalsó, ugyanis a vezérműtengely a dugattyúk alatt helyezkedik el.

Ez a kialakítás rendkívül egyszerű, emiatt megbízható, ám a vezérlés nem túl kompakt, így a tehetetlensége is nagyobb, így idővel, ahogy egyre nőttek a motorok maximális fordulatszámai, elavulttá vált.

Már a Ford T- és A modell is ilyen motort kapott, de ilyen megoldást találunk az összes Ford Flathead V8-ban, valamint a Cadillac régi V16-osaiban. A második világháború után már csak néhány katonai járműben használták.

Ennek oka, hogy az SV-t felváltotta az OHV (overhead valve), azaz az oldalt vezérelt, felül szelepelt, vagy ahogy néhányan ismerik, a nyomórudas motor.

Az USA-ban a mai napig gyártásban vannak ilyen motorok, noha az idő már ezen technika felett is eljárt.

A szelepek és a vezérműtengely helyzete nagyban hasonlít az SV-ben lévő megoldásra, ám lényeges különbség, hogy itt már a szeleptányér az égéstér felé néz. Ezt azonban ennyire alulra helyezett vezérléssel csak úgy lehet megoldani, ha egy extra himbakarral megváltoztatjuk a vezérműtengellyel kapcsolatban lévő nyomórúd mozgásának irányát.

Amikor a vezérműtengely bütyke felfelé tolja a nyomórudat, a himbakar elfordul a csap mentén, és a túloldalon lefelé fogja tolni a szelepet.

Ez már lehetővé teszi a klasszikus értelemben vett hengerfej kialakítását, ám a vezérlés még mindig lassú és nehézkes.

Ilyen motorokkal találkozunk az amerikai muscle és pony caroknál, mint ahogy rengeteg európai- és ázsiai járművet is ilyen megoldással láttak el – mint például a Szovjetunióból ismert Lada márkanév alatt futó modellek legtöbbjét.

A következő állomással eljutunk a ma is használt felül vezérelt, felül szelepelt (OHC, overhead camshaft) motorokhoz, ahol már a vezérlés és a szelepek is a hengerfejben, a dugattyú felett foglalnak helyet.

Ez tette igazán kompakttá és gyorssá a vezérlést, valamint a szelepek mozgatását. Ennek egy alváltozata a DOHC (double overhead camshaft), azaz dupla vezérműtengelyes, felül vezérelt, felül szelepelt motor, melyet szinte minden mai motorban megtalálunk.

Ezzel a hengerfej elérte a ma ismeretes formáját, és még az Egyesült Államokban is meghatározóvá vált ez a dizájn.

Érdekes adat, hogy bár a DOHC elrendezés számít a legmodernebb kialakításnak, eredete több mint száz éves. Valójában ilyen motort a Peugeot már 1912-ben, élesben is alkalmazott az akkori Francia Grand Prix-n, az Alfa Romeo pedig 1914-ben már olyan erőforrással rendelkezett, amely amellett, hogy DOHC elrendezésű, hengerenként négy szelep dolgozott benne.

Az igazság tehát az, hogy nincs túl sok korkülönbség a különböző hengerfej-kialakítások között, mindössze időbe telt, mire mindenki rájött, hogy milyen irányba érdemes tovább fejlesztenie.