Kada je riječ o zamjenskim cilindarskim glavama, danas su gotovo sve opcije izrađene od aluminija. No što je s opcijama zamjenskih cilindarskih glava od lijevanog željeza? Već desetljećima traje rasprava o tome koji je materijal najbolji za cilindarske glave. Danas mnogi kupci automatski planiraju izradu motora s aluminijskim cilindarskim glavama. No, ostaje pitanje – je li aluminij doista najbolji izbor?
Kroz godine provedeni su brojni testovi kako bi se utvrdilo koji materijal – željezo ili aluminij – omogućuje veću snagu. Međutim, ono što ovdje treba naglasiti jest da se razlike u legurama ne bi trebale promatrati isključivo u kontekstu povećanja snage. Umjesto toga, ključan faktor pri odabiru materijala za izradu motora treba biti njegova namjena.
Odolijevanje vremenu
Ova tema o legurama cilindarskih glava proizašla je iz pitanja: „Zašto se još uvijek proizvode željezne glave?“ Pitanje dolazi od „nove generacije“ ljubitelja motora.
Danas je uobičajeno vidjeti različite proizvođače koji nude aluminijske cilindarske glave, od sirovih lijevanih do potpuno CNC obrađenih, po pristupačnim cijenama. Čak su i glave od punog aluminija sve češće. Nasuprot tome, glave od lijevanog željeza više ne dobivaju reklamu kakvu su nekad imale.
Kasnih ‘80-ih, kada su modificirani motori uglavnom bili sastavljeni od tvorničkih dijelova. Nismo često koristili zamjenske blokove, radilice, klipnjače, glave i ventile iz aftermarketa.
Uobičajena praksa bila je dorada dobre radilice za malo veći hod, obnova klipnjača s novim vijcima, bušenje tvorničkog bloka i upotreba seta TRW klipova. Što se tiče glava, portali smo naše glave od lijevanog željeza bez korištenja protokomjera zraka. Zatim bismo ubacili aftermarket bregastu osovinu s ravnim podizačima – nadali se da smo dobro odabrali – i čekali rezultate.
Ono što ovu priču čini značajnom jest sjećanje na trenutak kada je jedan redoviti natjecatelj, koji je imao brz bracket automobil, kupio novi set aluminijskih cilindarskih glava. Bile su to GM Bowtie Phase 6 aluminijske glave za small-block motor. Tijekom probnih vožnji te subotnje večeri, automobil je zapravo imao lošije vrijeme.
Bili smo zbunjeni – aluminijske glave su trebale biti sveti gral za povećanje snage jer su doslovno koštale pravo malo bogatstvo. Očekivalo se da će automobil ubrzati poput rakete, ali to se nije dogodilo.
Kasnije je natjecatelj skinuo aluminijske glave i potražio nekoga tko bi ih pravilno portao uz pomoć protokomjera. Nakon dorade i promjene bregaste osovine, automobil se vratio na stazu i postigao najbolje vrijeme do tada.
Zaintrigiran unutarnjim izgaranjem motora i ovim događajem, počeo sam se zanimati za protok zraka i dizajn bregaste osovine. Snaga je bila skrivena negdje u aluminijskoj cilindarskoj glavi, a profesionalni porting ju je oslobodio – nije bilo stvar u samom materijalu. Kad bolje razmislite, i željezne i aluminijske glave mogu pružiti vrhunske performanse.
Jedna od prednosti cilindarske glave od lijevanog željeza jest veća krutost same površine u usporedbi s aluminijskom glavom iste konstrukcije. Ta čvrstoća može biti korisna u ekstremnim uvjetima gdje djeluju sile koje pokušavaju deformirati površinu glave.
Cilj ove rasprave je identificirati karakteristike obje vrste cilindarskih glava i utvrditi u kojim su primjenama najbolje. Ne želimo donijeti općeniti zaključak da je jedna bolja od druge, već razumjeti ključne razlike koje će pomoći pri odabiru idealnih glava za izradu motora.
Temeljne razlike
Razlika koju kupci primjećuju je težina. Da, cilindarska glava od lijevanog željeza znatno je teža od aluminijske. Ovo je jedan od glavnih faktora koji se uzima u obzir pri odabiru glava cilindara. Međutim, za većinu cestovnih aplikacija težina neće igrati značajnu ulogu.
Istina je da će željezne glave dodati nekoliko kilograma na prednji kraj vozila, ali hoće li se to uistinu osjetiti? U utrkama dodatna težina na prednjem dijelu automobila može biti problem. Neke trkaće klase zahtijevaju korištenje cilindarskih glava od lijevanog željeza kako bi se izjednačile performanse među natjecateljima, ali kad bi imali izbor, većina bi se odlučila za aluminijske glave. U tim situacijama, težina je presudan faktor.
Iako su teže, glave od lijevanog željeza nude dodatnu čvrstoću i dugovječnost u usporedbi s aluminijskim. Ovo je njihova najistaknutija karakteristika. Zahvaljujući većoj otpornosti, željezne glave mogu podnijeti uvjete koji bi oštetili – ili čak uništili – aluminijske glave.
Postoje oblici opterećenja koje često zanemarujemo kada govorimo o cilindarskim glavama. Na primjer, ekspanzija materijala pri postizanju radne temperature motora. Aluminij se širi pod utjecajem topline više nego lijevano željezo. Razlika u ekspanziji između željeznog bloka i aluminijske glave može dovesti do otkazivanja brtve glave motora.
Područja vodilica ventila i sjedišta u cilindarskoj glavi od lijevanog željeza znatno su jača i izdržljivija u usporedbi s aluminijskim glavama. U aplikacijama s visokim tlakom opruga ventila, ta dodatna čvrstoća može značiti dulje vremenske intervale između osvježavanja komponenata i duži ukupni vijek trajanja cilindarske glave.
Dodatno, ekspanzija aluminija utječe i na čelične komponente unutar cilindarske glave — ventilska sjedišta, sjedišta opruga, vodilice i nosači podizača. Aluminijske glave sklone su umoru u tim područjima, što znači da se posebna pažnja mora posvetiti komponentama poput ventilskih sjedišta prilikom njihove instalacije. Također, treba uzeti u obzir visoke tlakove opruga i učinke na površinu nosača sjedišta opruga.
Vodilice ventila moraju se instalirati s odgovarajućim fitom za pritisak, kako ne bi ispale ili se pomaknule. Razmislite i o nosačima podizača i cikličkim tlakovima kojima su izloženi dok podizači otvaraju i zatvaraju ventile. Što se tiče lijevanog željeza, njegova dugovječnost čini ga mnogo manje podložnim problemima u ovim poznatim “kritičnim” područjima.
Protuispitivanje (koje traje unedogled) je da, ako glave od lijevanog željeza postanu previše vruće, mogu puknuti. Iako je ovo istina do određene mjere, problem se uglavnom javlja kod tvorničkih lijevanih dijelova. Aftermarket glave od lijevanog željeza deblje su na površinama, čineći pucanje zbog temperaturnih razlika stvarima prošlosti.
Štoviše, ako bi motor bio dovoljno vruć da pukne glava od lijevanog željeza, razmislite što bi se dogodilo s aluminijskom glavom. Mnoge probleme mogao bi uzrokovati širenje, zbog kojeg bi vodilice ventila i sjedišta mogla jednostavno ispasti.
Druga teorija o temeljnoj razlici u svojstvima materijala odnosi se na toplinsku vodljivost. Budući da postoji energija topline u procesu izgaranja, gubi li se neka od nje s aluminijskom cilindarskom glavom?
Budući da aluminijske glave brže disipiraju toplinu, može postojati opravdanost za ovu tvrdnju u smislu učinkovitosti. Mnogi graditelji motora povećavaju kompresiju za jedan stupanj kod aluminijske glave ili čak premazuju komore kako bi pomogli zadržati toplinu unutar motora, umjesto da se ona brzo disipira.
U određenim aplikacijama, poput korištenja metanola ili etanolskih smjesa, glave od lijevanog željeza mogu biti učinkovitije. To je zbog njihove sposobnosti zadržavanja topline iz izgaranja, a u aplikacijama s alkoholom, temperatura znači tlak u cilindru. Aluminijske glave brže disipiraju tu toplinu iz izgaranja, što znači da imate nižu temperaturu izgaranja.
S druge strane, neki graditelji motora smatraju da, budući da glave od lijevanog željeza zadržavaju većinu topline, ta zadržana toplina zatim zrači na usisne kanale. Zagrijani usisni kanali pregrijavaju dolaznu smjesu zraka i goriva, uzrokujući njezino širenje, što smanjuje protok i povećava rizik od pre-iskrenja. Valjanost i značaj tih teorija još uvijek se raspravlja među graditeljima motora.
Oblik nosača je jasan, bez obzira na materijal od kojeg je putanja napravljena. Iako glave od lijevanog željeza obično dolaze s usporedivim dimenzijama usisnih kanala u odnosu na slične aluminijske glave, jači osnovni materijal omogućuje nosačima da budu malo agresivniji u obradama bez prekomjernog slabljenja zida nosača.
Razlike koje možda ne očekujete
Zanimljiv test proveden kako bi se usporedili aluminijski i lijevano željezni materijali. Problem s kojim su se susretali bio je izobličeni cilindri u blokovima motora. Kako je moguće da se cilindri ne drže pravilnog oblika s najmodernijom opremom za obradu? Nakon što su glave cilindra bile pričvršćene, a motor pokrenut na dinamometru, primijetili su da cilindri nisu ostali koncentrirani.
Nakon istraživanja, ispostavilo se da je problem bio u ploči za moment (torque plate) koja se koristila u procesu brušenja. Ploča za moment bila je aluminijska i nije bila u stanju osigurati čvrstoću površine bloka tijekom brušenja. Nakon toga, korištena je čelična ploča za moment, koja je pomogla održavanju većeg stupnja koncentracije cilindara.
Ovaj “neujednačeni” pritisak na površini bloka otkriven je korištenjem vrlo skupog filmskog materijala za mjerenje tlaka. Film se postavio između ploče za moment i bloka motora, a zatim se stegnuo. Film za tlak sadrži sitne kapilare crvene boje koje puknu i oblikuju se prema obliku površine na koju se primjenjuje pritisak, stvarajući otisak. Inženjeri su primijetili da aluminijska ploča za moment nije bila dovoljno kruta i stoga nije primjenjivala jednak pritisak oko cilindara.
Cijena ne znači uvijek bolje performanse
Postoje faktori koje morate uzeti u obzir prilikom izrade motora, temeljenih na aplikaciji za koju je motor dizajniran.
Osim razlika u cijeni sirovina, aluminijske cilindarske glave proizvedene su s mnogo više koraka obrade u proizvodnom procesu kako bi se povećala njihova izdržljivost. Ti faktori obično rezultiraju višom cijenom za krajnjeg korisnika u odnosu na glave od lijevanog željeza.
Budući da su glave od lijevanog željeza jeftinije, obično se preporučuju za “budžetske” gradnje motora. Iako će dobro obavljati svoju funkciju i biti izdržljive, razlika u cijeni i njihova upotreba u “budžetskim” projektima stvorila je stigma da su glave od lijevanog željeza inferiorne u odnosu na skuplje opcije.
Vraćajući se na prvobitno pitanje: “Zašto se glave od lijevanog željeza još uvijek proizvode danas?” Odgovor je jednostavan. Glave od lijevanog željeza imaju mnoge prednosti kada je riječ o cijeni i izdržljivosti. Napravile su veliki napredak od ručno obrađene OEM glave iz sredine 20. stoljeća.
Iako je popularnost materijala tijekom godina možda prešla iz jednog u drugi, to nije umanjilo sposobnost glava od lijevanog željeza da generiraju značajnu snagu bez trošenja velike količine novca. Dodajte inherentne prednosti čvrstoće glava od željeza u odnosu na aluminijske, i one počinju izgledati sve povoljnije u projektima za svakodnevnu vožnju, bilo da razvijaju 400 ili 1.400 konjskih snaga.
