Блок двигателя это

ДВС (Конструкция блока цилиндров, обзор)

В очередной раз шарясь по просторам рунета в поисках информации по ДВС для модели наткнулся на статью и не смог пройти мимо. Думаю многим будет интересна информация по тематике строения, технологии и материалов. Да простит меня автор.

Блок цилиндров – основная и самая дорогостоящая часть двигателя. Именно в блоке расположены отверстия цилиндров, в которых перемещаются поршни и происходят все процессы сгорания, в результате которых вырабатывается энергия. Блок цилиндров так же является основой двигателя, к которой крепятся все остальные детали. К блоку цилиндров также крепятся различные вспомогательные механизмы двигателя и других систем автомобиля. Например, электрический генератор, насос системы гидроусилителя рулевого управления и компрессор кондиционера. К блоку цилиндров крепится картер сцепления или корпус гидротрансформатора автоматической коробки передач. В самом блоке цилиндров расположен коленчатый вал и другие детали кривошипно-шатунного механизма. В старых конструкциях двигателя, некоторые из них выпускаются и в настоящее время (в основном в Америке), в блоке цилиндров располагался и распределительный вал, а когда-то, совсем давно, и сами клапаны, вместе с клапанными механизмами, тоже располагались в блоке цилиндров. В таких, так называемых нижнееклапанных двигателях головка блока цилиндров была просто крышкой с единственными отверстиями для установки свечей зажигания.

1 Отверстие цилиндра
2 Сёдла впускных клапанов
3 Сёдла выпускных клапанов
4 Канал рубашки охлаждения
5 Отверстие для установки распределительного вала
6 Выпускной канал
7 Впускные каналы
8 Полость для установки клапанов и клапанных механизмов

Блок цилиндров нижнееклапанного двигателя легкового автомобиля Мерседес 30-х годов.
Не стоит думать, что это совсем древность, подобные нижнеклапанные двигатели выпускались в нашей стране до 90-х годов. Ранее они устанавливались на автомобили ГАЗ-51 и ГАЗ-52, а позднее они устанавливались на различные погрузчики и другие строительные машины.

Но в современных конструкциях распределительный вал (валы), клапаны, впускные и выпускные каналы расположены в головке блока цилиндров. Сверху блок цилиндров закрывается мощной головкой блока цилиндров, а снизу блок цилиндров закрывается поддоном системы смазки.

Конструкция блока цилиндров
Блок цилиндров большинства двигателей отливается из серого легированного чугуна и далее подвергается механической обработке. В таком случае рабочей поверхностью зеркала цилиндра является чугун отливки. Отверстие цилиндра растачивается под установленный размер, а после окончательной механической обработки поверхность стенок имеет микроструктуру, позволяющую удерживать необходимое количество масла. Чугун, особенно легированный, обладает необходимой прочностью и низким коэффициентом трения в паре материалов «чугун – чугун» или «сталь – чугун», из которых изготавливаются поршневые кольца, и в паре материалов «алюминий – чугун» из которого изготавливаются поршни. При этом чугунные стенки цилиндров обладают высокой износостойкостью. Но иногда даже в чугунные блоки цилиндров, для увеличения износостойкости запрессовываются тонкостенные сухие гильзы из более износостойкого легированного чугуна.
Недостатком чугуна при производстве блока цилиндров является его большой удельный вес. Для улучшения динамики автомобиля конструкторы всеми силами стараются уменьшить вес всех компонентов автомобиля, включая двигатель. Поэтому блок цилиндров двигателя многих современных автомобилей отливается из алюминиевого сплава. Алюминий, кроме малого веса не имеет никаких преимуществ перед чугуном, но при этом появляются новые трудности. Алюминиевые сплавы гораздо мягче чугуна, поэтому для обеспечения необходимой жёсткости блока приходится делать более толстыми несущие стенки блока и делать сложную систему рёбер жёсткости. Алюминий имеет более высокий коэффициент температурного расширения, поэтому приходится более строго контролировать зазоры между различными деталями двигателя. Поршни всех современных двигателей, для облегчения веса, изготавливаются чаще всего из алюминиевых сплавов. Но коэффициент трения в паре материалов «алюминий – алюминий» очень большой и алюминий обладает низкой износостойкостью. Поэтому поверхность цилиндров должна быть изготовлена не из алюминия, а из другого материала. В алюминиевых блоках тонкостенные чугунные гильзы из износостойкого чугуна вплавляются в алюминиевую отливку при изготовлении отливки блока. Но стенки цилиндров самых современных двигателей с алюминиевым блоком при помощи современных технологий могут быть покрыты гальваническим способом специальным износостойким металлом. Или при помощи самых современных технологий осуществляется поверхностное упрочнение стенок цилиндров. При отливке блока цилиндров специальные технологии повышают концентрацию кремния в поверхностном слое стенок цилиндров, далее при помощи химических реакций из поверхностного слоя стенок цилиндров удаляется алюминий. В результате этого упрочнения износостойкость стенок цилиндров превышает по этому показателю цилиндры, изготовленные из чугуна. Но в этом случае, для снижения коэффициента трения между алюминиевым блоком цилиндров и алюминиевыми поршнями, поршни покрываются тонким слоем железа. Отсутствие чугунных гильз значительно уменьшается вес блока цилиндров.
Иногда в блок цилиндров вставляются съёмные гильзы, которые герметизируются в блоке цилиндров при помощи медных или резиновых прокладок. Съёмные гильзы имеют преимущество в том, что после предельного износа их можно заменить новыми, изготовленными или отремонтированными (расточенными под ремонтный размер) с высокой точностью в заводских условиях. Применение съёмных гильз упрощает ремонта двигателя. Но в последнее время такие гильзы применяются довольно редко, поскольку блоки цилиндров со вставными гильзами имеют некоторые, присущие им недостатки. При перегреве двигателя происходит разгерметизация посадки гильзы в блоке, в результате которой происходит утечка охлаждающей жидкости.

Гильзы, непосредственно омываемые охлаждающей жидкостью, называются мокрыми. Гильзы, запрессованные в материал отливки блока, и не соприкасающиеся непосредственно с охлаждающей жидкостью называются сухими.
Во время отливки в блоке цилиндров изготавливаются каналы для прохода охлаждающей жидкости, омывающей гильзы цилиндров. Система таких каналов называется рубашкой охлаждения. Так же в блоке цилиндров методом сверления делаются масляные каналы, чаще называемые масляными магистралями, по которым масло от насоса системы смазки поступает ко всем трущимся деталям двигателя. Выходные отверстия сверлений масляных магистралей на наружной поверхности блока цилиндров имеют резьбовые заглушки или герметизируются другими способами.
При конструировании и изготовлении блока цилиндров конструкторам и технологам приходится постоянно находить компромисс между прочностью и весом блока цилиндров. Для снижения веса, без уменьшения прочности блок часто имеет множество рёбер жёсткости, особенно этим отличаются блоки цилиндров японских автомобилей.
Во время работы двигателя блок цилиндров подвергается значительным температурным и механическим нагрузкам. Давление расширяющихся рабочих газов давит на поршень и верхнюю стенку камеры сгорания, расположенную в головке блока цилиндров. От головки блока цилиндров, через элементы её крепления (болты или шпильки) усилие передаётся на блок цилиндров. А усилие от поршня, через детали кривошипно-шатунного механизма и постели подшипников коленчатого вала передаются на блок цилиндров с другой стороны. В результате воздействия этих противоположно направленных сил в блоке цилиндров возникают большие растягивающие напряжения. Блок цилиндров также испытывает изгибающие усилия.
Блок, не обладающий необходимой прочностью, не только деформируется сам, но и деформирует такие дорогие детали двигателя как коленчатый или распределительный валы.
Основной неисправностью блока цилиндров является износ стенок цилиндров, вызванный продолжительной эксплуатацией двигателя, то есть большим пробегом автомобиля.
Капитальный ремонт двигателей легковых автомобилей с расточкой и последующей хонинговкой цилиндров сейчас массово не производится. Хотя все отечественные заводы выпускают в запасные части поршни и поршневые кольца трёх ремонтных размеров, что позволяет приводить расточку отверстий цилиндров несколько раз.
Причин тут много и экономических, и технических и, особенно организационных. Если бы у нас, как во многих странах мира, в учётных документах на автомобиль заносился только VIN-код автомобиля, без указания номера двигателя, то, вполне возможно, появилась организационная возможность и экономическая целесообразность, создания высокотехнологичных предприятий по капитальному ремонту двигателей отечественных автомобилей. Возможно, это не очень выгодно автопрому, но, вполне вероятно было бы выгодно массе потребителей.
Номер двигателя выбивается на поверхности блока цилиндров.

У американцев капитальный ремонт их огромных двигателей V8 или V10 широко развит. Для этого у них существуют специальные авторемонтные заводы с дорогими точными станками, точным мерительным инструментом и квалифицированным персоналом. Причём довольно часто на капитально отремонтированный двигатель даётся гарантия, превышающая гарантию на новый двигатель того же производителя.
Капитальный ремонт двигателей массовых легковых автомобилей в Европе, также как и в нашей стране массово отсутствует. Большая конкуренция на автомобильном рынке и высокая надёжность современных двигателей, привели к тому, что стало легче заменить весь автомобиль, чем ремонтировать двигатель. Если с Европой всё ясно, то насколько верна эта политика в нашей стране, для меня, точного ответа нет.

Но капитальный ремонт двигателей грузовых автомобилей, сельскохозяйственных и дорогих строительных машин производится, поскольку это экономически оправдано. Новый двигатель импортного бульдозера или экскаватора может стоить так дорого, что оправдывает капитальный ремонт любой сложности и стоимости.
Также возникает потребность в капитальном ремонте двигателя с гильзовкой, расточкой, хонинговкой и фрезеровкой поверхности головки блока цилиндров при реставрации старинных и уникальных автомобилей.
Выполнить капитальный ремонт с механической обработкой блока цилиндров и некоторых других основных деталей двигателя, например, коленчатого вала или головки блока цилиндров, в условиях небольших и даже средних сервисных предприятий с необходимым качеством практически невозможно. Гарантированное качество капитального ремонта двигателя можно обеспечить только в условиях узко специализированного на такие виды ремонта предприятиях, укомплектованные точными специализированными станками, мерительным инструментом и квалифицированными кадрами.
В наших условиях, особенно при капитальном ремонте двигателя на небольших сервисных предприятиях, когда механическая обработка блока цилиндров и коленчатого вала производится в сторонних организациях, срок службы капитально отремонтированного двигателя не превышает одной трети от ресурса нового двигателя. Поэтому, с учётом стоимости ремонта и вероятной стоимости каждой тысячи километров пробега отремонтированного двигателя, возможно, дешевле купить новый двигатель. Разумеется, если автомобиль не готовится к продаже.

Крышки коренных подшипников коленчатого вала

Ранее указывалось, что блок цилиндров является основой сборки двигателя. Внутри блока цилиндров расположены кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, впрочем, газораспределительный механизм современного двигателя почти полностью расположен в головке блока цилиндров, а снаружи к блоку цилиндров крепятся различные вспомогательные механизмы. Но что объединяет все эти компоненты двигателя – их, в случае выявленной неисправности, во время ремонта можно заменить. Но в блоке цилиндров есть детали, которые ни при каких условиях заменять нельзя – это крышки коренных подшипников коленчатого вала. На заводе-изготовителе окончательная механическая обработка отверстий подшипников коленчатого вала производится за один проход режущего инструмента при установленных крышках коренных подшипников. Зазор и соосность в коренном подшипнике устанавливается с высокой точностью, поэтому никогда, ни при каких условиях не допускается установка на блок цилиндров крышек коренных подшипников от другого блока цилиндров. Также не допускается перестановка местами крышек одного блока, или установка крышек в другом направлении.
Условно крышки коренных подшипников можно разделить на три группы. К первой можно отнести индивидуальные крышки коренных подшипников. В этом случае каждый коренной подшипник имеет свою индивидуальную крышку. Например, стандартный рядный четырёхцилиндровый двигатель имеет пять коренных подшипников и каждый коренной подшипник имеет свою индивидуальную крышку. Большая часть автомобильных двигателей, и не только рядных четырёхцилиндровых, устроена именно по такому принципу.

Устройство блока и головки блока цилиндров двигателя

Блок цилиндров (БЦ) и головка блока цилиндров (ГБЦ) двигателя являются основными частями любого ДВС. В них находятся механизмы и узлы, обеспечивающие работу мотора. При работе БЦ и ГБЦ подвергаются серьезным нагрузкам и перепадам температур, поэтому очень важны материалы и качество их изготовления. Также важным фактором является точность и степень механической обработки.

Блок цилиндров

Блок цилиндров или шорт-блок является самой большой частью двигателя. Остальные элементы, так или иначе, крепятся к нему. В верхней части БЦ находятся колодцы цилиндров. Вокруг них выполнены полости для жидкостного охлаждения (рубашка охлаждения). В нижней части, которая называется картером, располагается коленчатый вал, к которому крепятся шатуны и поршни. То есть блок является местом расположения всего кривошипно-шатунного механизма. Также в нем выполнены каналы системы смазки.

БЦ изготавливают цельной деталью при помощи литья. В качестве основного материала для изготовления служит чугун или алюминиевые сплавы. БЦ из алюминиевых сплавов значительно легче по весу, но проигрывает в прочности и цене. Чугун доступнее и прочнее.

Цилиндры и хонингование

Рабочие цилиндры могут быть выполнены непосредственно как часть блока, а могут применяться гильзы. На поверхность цилиндров наносится специальный никелькремниевый сплав – никасил. Это очень прочный материал, защищающий кольца поршня от трения. Поверхность полируется до зеркала, чтобы свести к минимуму трение в условиях ограниченного поступления масла.

Для улучшения смазки внутренней поверхности цилиндров применяют хонингование. Хон наносится специальным инструментом с головкой и абразивными брусками. В итоге на поверхности образуется выгравированная сетка. В ее желобках лучше удерживается масло. На внутренних стенках с хоном образуется масляная пленка, в результате чего значительно снижается трение и повышается ресурс деталей. Повторное хонингование, как правило, делается во время расточки двигателя или замены гильз.

Гильзы

Гильзы применяются в блоках из алюминиевых сплавов, так как алюминий менее стоек к нагрузкам и тяжелым температурным режимам, в отличие от чугуна. Они бывают съемными и несъемными. Последние выполняются путем запрессовки в блок. Также гильзы делят на «мокрые» и «сухие». «Мокрыми» называют гильзы, которые непосредственно соприкасаются своими стенками с охлаждающей жидкостью в рубашке охлаждения блока. Таким образом, достигается лучшее охлаждение. «Мокрые» гильзы легко заменить. Часто их применяют на сельхозтехнике, тягачах и другом спецтранспорте.

«Сухие» гильзы чаще всего несъемные и запрессованы в тело цилиндра, что обеспечивает цельность и жесткость всего блока. Но «сухие» гильзы хуже отводят тепло, чем «мокрые».

Расточка и гильзовка блока цилиндров

После появления дефектов и выработки на стенках применяют расточку цилиндров. Со стенок снимается металл определенной толщины, а затем устанавливаются другие ремонтные поршни и кольца под новый размер. Число расточек ограничено, так как объем постепенно увеличивается, а прочность снижается.

После максимального числа расточек применяют гильзовку. Это сложный процесс, который можно сделать только при наличии специального оборудования. «Мокрые» гильзы поменять намного легче, даже в полевых условиях. Если установлены «сухие» гильзы или это монолитный чугунный блок, то он растачивается под новые гильзы, которые запрессовываются с высокой точностью. Сам блок нагревается до 150-200 градусов, а новая гильза охлаждается. Так достигается наиболее плотная и точная посадка.

Головка блока цилиндров

Головка блока цилиндров устанавливается сверху блока и является, по сути, крышкой, которая его закрывает. Для изготовления ГБЦ применяются в основном алюминиевые сплавы. Крепится головка к блоку с помощью шпилек или болтов, которые затягиваются динамометрическим ключом в строгой последовательности, как указано в руководстве по ремонту конкретного автомобиля.

Камеры сгорания образуются путем плотного прилегания ГБЦ к БЦ. Чтобы отработавшие газы не проникали между головкой и блоком цилиндров, устанавливается уплотнительная прокладка. Она основана на асбестографитовой основе и способна выдерживать рабочую температуру и давление.

ГБЦ в сборе состоит из следующих элементов:

• корпус с камерами сгорания, патрубками, масляными и каналами системы охлаждения; (впускные и выпускные клапаны, коромысла и толкатели);
• распределительные валы с приводом от коленвала;
• отверстия для свечей зажигания;
• впускные и выпускные коллекторы для подачи воздуха и отвода отработавших газов;
• прокладка ГБЦ.

На современных двигателях клапаны ГРМ и распредвал находятся именно в головке блока. Но раньше были моторы с нижним распредвалом. В V-образных двигателях на каждый ряд цилиндров устанавливается отдельная головка блока.

В передней части ГБЦ находится цепной или ременный привод газораспределительного механизма. По обеим сторонам на фланце крепятся впускной и выпускной коллекторы. Также рядом расположены патрубки для подвода охлаждающей жидкости.

Клапанная крышка

Клапанная крышка закрывает ГБЦ и газораспределительный механизм. Она крепится к головке с помощью болтов. Между головкой и крышкой также устанавливается прокладка для плотного и герметичного соединения. Это нужно, чтобы масло в процессе работы не вытекало наружу, а внутрь не попадали грязь и пыль. Также на крышке располагается маслозаливная горловина.

Ранее крышки изготавливались из стали, но на современных двигателях отдают предпочтения алюминиевым или пластиковым. Это снижает уровень шума, повышает надежность и доступность детали.

Блок цилиндров и головка блока цилиндров составляют основу двигателя. Многое зависит от материалов и качества их изготовления. При правильной эксплуатации и своевременном обслуживании они прослужат очень долго.

Блок двигателя.

Блок двигателя — это основная его деталь, внутри и вокруг которой собирается сам двигатель. Головка блока цилиндров — это следующая важная часть двигателя внутреннего сгорания, без которой нельзя обеспечить его функционирование. Головка блока двигателя изготавливается путем литья из металла (в качестве материала используются определенные марки легированного чугуна, однако для уменьшения массы двигателя головка блока может отливаться из алюминиевого сплава). После отливки головка блока, как и блок двигателя проходит следующую технологическую операцию, которая называется искусственное старение и в результате которой снимается остаточное напряжение детали. В зависимости от типа двигателя, а точнее от типа расположения цилиндров, меняется и количество головок блока двигателя. Если двигатель с однорядным расположением цилиндров, то он имеет одну ГБЦ, а если у двигателя V-образное расположение цилиндров, то у него будет уже две ГБЦ – по одной для каждого ряда цилиндров. Чтобы получить максимально плотное соединение с самим блоком двигателя, плоскость ГБЦ, которая будет контактировать с блоком двигателя, расширяется ближе к зоне контакта. Данная особенность позволяет при помощи установки прокладки головки блока цилиндров обеспечить надежное герметичное соединение.

Крепление ГБЦ к блоку двигателя осуществляется при помощи шпилек и болтов. Чтобы обеспечить равномерное прилегание головки блока цилиндров к блоку двигателя, производитель указывает последовательность затяжки соединительных шпилек и точно указывает силу (или момент) затяжки. Затяжка креплений осуществляется согласно инструкции, прилагаемой производителем, и выполняется только с использованием динамометрического ключа, поскольку при несоблюдении параметров затяжки возможен выхода из строя головки блока цилиндров или потеряет герметичность соединение головки и блока двигателя.

Головка блока цилиндров защищает блок двигателя от попадания в него посторонних материалов, обеспечивает нормальную работу цилиндров двигателя и механизма ГРМ. Герметичность соединения головки и блока двигателя обеспечивается прокладкой ГБЦ. Данная прокладка является одноразовой и подлежит замене при каждом снятии ГБЦ. Также в крышке ГБЦ расположена горловина для заливки моторного масла, находятся посадочные места для втулок клапанов, опорных шайб клапанных пружин, а также для корпусов подшипников распредвала. В передней части крышки ГБЦ можно увидеть место для установки привода распредвала и натяжителя цепи привода ГРМ. В корпусе головки блока двигателя есть ряд отверстий – они предназначены для установки форсунок впрыска топлива, свечей зажигания, а также для крепления выпускного и впускного коллекторов. Там же предусматривается место для расположения газораспределительного механизма (ГРМ).

При эксплуатации двигателя не допускается перегрев двигателя, поскольку это может привести к нарушению геометрических размеров ГБЦ (ремонтники часто говорят в этом случае, что ГБЦ «повело»). Также любой двигатель внутреннего сгорания в процессе эксплуатации требует регулярного обслуживания. При проведении процедуры технического обслуживания двигателя необходимо визуально убедится в герметичности соединения ГБЦ и блока двигателя – в месте соединения должны отсутствовать подтеки охлаждающей жидкости или масла. Относительно простой ремонт двигателя может выполняться только со снятием крышки головки двигателя. Данная процедура может выполнятся, например, для регулировки клапанов или для замены маслосъемных колпачков. Если же возникла потребность в замене направляющих втулок клапанов, притирке клапанов или в других более серьезных ремонтных работах, то в этом случае уже обязательно снятие ГБЦ и последующая ее установка с обязательной заменой прокладки ГБЦ. Мастеру, выполняющему работы по снятию и установке головки блока цилиндров, стоит помнить о том, что эти действия выполняются соответственно с документацией производителя и с соблюдением всех требований производителя к данному типу работ и используемому инструменту.

Блок цилиндров

Блок цилиндров — основная деталь 2-х и более цилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания. Является цельнолитой деталью, объединяющей собой цилиндры двигателя. Отливается как правило — из чугуна, реже — алюминия. На блоке цилиндров имеются опорные поверхности для установки коленчатого вала, к верхней части блока, как правило, крепится головка блока цилиндров, нижняя часть является частью картера. Таким образом, блок цилиндров является основой двигателя, на которую навешиваются остальные детали.

Сами цилиндры в блоке цилиндров могут являться как частью отливки блока цилиндров, так и быть отдельными сменными втулками, которые могут быть «мокрыми» или «сухими». Помимо образующей части двигателя, блок цилиндров несет дополнительные функции, такие как основа системы смазки — по отверстиям в блоке цилиндров масло под давлением подается к местам смазки, а в двигателях жидкостного охлаждения основа системы охлаждения — по аналогичным отверстиям жидкость циркулирует по блоку цилиндров.

Стенки внутренней полости цилиндра служат также направляющими для поршня при его перемещениях между крайними поло­жениями. Поэтому длина образующих цилиндра предопределяется величиной хода поршня.

Цилиндр работает в условиях переменных давлений в надпоршневой полости. Внутренние стенки его соприкасаются с пламенем и горячими газами, раскаленными до температуры 1500—2500°С. К тому же средняя скорость скольжения поршневого комплекта по стенкам цилиндра в автомобильных двигателях достигает 12— 15 м/сек при недостаточной смазке. Поэтому материал, употребляемый для изготовления цилиндров, должен обладать большой механической прочностью, а сама конструкция стенок повышенной жесткостью. Стенки цилиндров должны хорошо противостоять истиранию при ограниченной смазке и обладать общей высокой стойкостью против других возможных видов износа (абразивного, коррозионного и некоторых разновидностей эрозии), уменьшающих срок службы цилиндров (Износ цилиндров автомобильных двигателей является следствием комплексного воздействия на стенки многочисленных физических и химических быстротекущих процессов, которые по характеру проявления разделяются на три основных вида износа: эрозивный, возникающий вследствие механического истирания, схватывания и других разрушающих процессов при непосредственном контакте металлических трущихся поверхностей; коррозионный, возникающий при всякого рода окислительных процессах на поверхностях трения; абразивный, вызывающий разрушение поверхностей трения при наличии между ними твердых или, как говорят, абразивных частичек, в том числе и продуктов износа). Материалы, применяемые для изготовления цилиндров, должны обладать хорошими литейными свойствами и легко обрабатываться на станках.

В соответствии с этими требованиями в качестве основного материала для цилиндров применяют перлитный серый чугун с не­большими добавками легирующих элементов (никель, хром и др.). Применяют также высоколегированный чугун, сталь, магниевые и алюминие­вые сплавы. Блоки, изготовленные из этих материалов, отнюдь не равноценны по своим свойствам.

Так, чугунный блок наиболее жёсткий, а значит — при прочих равных выдерживает наиболее высокую степень форсировки и наименее чувствителен к перегреву. Теплоёмкость чугуна примерно вдвое ниже, чем алюминия, а значит двигатель с чугунным блоком быстрее прогревается до рабочей температуры. Однако, чугун весьма тяжёл (в 2,7 раза тяжелее алюминия), склонен к коррозии, а его теплопроводность примерно в 4 раза ниже, чем у алюминия, поэтому у двигателя с чугунным картером система охлаждения работает в более напряжённом режиме.

Алюминиевые блоки цилиндров лёгкие и лучше охлаждаются, однако в этом случае возникает проблема с материалом, из которого выполнены непосредственно стенки цилиндров. Если поршни двигателя с таким блоком сделать из чугуна или стали, то они очень быстро износят алюминиевые стенки цилиндров. Если же сделать поршни из мягкого алюминия, то они просто «схватятся» со стенками, и двигатель мгновенно заклинит.

Поэтому на первом поколении двигателей с алюминиевым блоком применяли вставленные в блок «мокрые» гильзы из серого чугуна, «плавающие» в охлаждающей жидкости и служащие непосредственно в качестве стенок цилиндров. Эта конструкция, разработанная в 1930-х годах, получила широкое распространение в 1950-х, причём только в СССР, не испытывавшем недостатка в лёгких металлах, она стала применяться практически на всех автомобилях, включая грузовики, что, помимо вышеуказанных преимуществ, давало возможность капитально ремонтировать блок цилиндров просто заменяя гильзы, давая большой экономический эффект. Тем не менее, у неё были и свои недостатки: алюминиевый блок с мокрыми гильзами получается намного менее жёстким, чем цельнолитой чугунный, и поэтому достаточно чувствителен к перегреву и хуже переносит форсировку. Кроме того, алюминий дорог и на большей части территории Земли дефицитен. Поэтому на большинстве двигателей до 80-х — 90-х годов блоки были всё же отлиты из чугуна, несмотря на явно избыточную массу. На высокофорсированных двигателях также часто использовались более прочные чугунные блоки.

В 1980-х годах стала получать всё большее распространение технология, при которой в алюминиевый блок запрессовывались тонкостенные «сухие» чугунные или композитные гильзы, со всех сторон окружённые алюминием. Такие двигатели сегодня достаточно распространены. Тем не менее, и они не лишены недостатков, так как коэффициенты температурного расширения чугуна и алюминия не совпадают, что требует особых мер для предотвращения отрыва гильзы от блока при прогреве мотора.

Альтернативный подход предполагает цельноалюминиевый блок, стенки цилиндров которого специально упрочняют. Например, на пионере этого направления — двигателе Chevrolet Vega 1971 года — блок отливался из сплава с содержанием до 17 % кремния (фирменное название Silumal), а специальная обработки стенок цилиндров обогащала их кристаллами кремния (химическим травлением — специально подобранного состава кислота вымывает алюминий с поверхности стенки, не трогая кремний), доводя до требуемой твёрдости (кремний намного твёрже чугуна). Тем не менее, опыт оказался неудачным: мотор оказался очень чувствителен к качеству смазочных материалов и перегреву, имел неудовлетворительный ресурс и часто полностью выходил из строя из-за износа стенок цилиндра, восстановление которых вне заводских условий оказалось, в отличие от привычных в то время чугунных блоков, невозможно. Это повлекло за собой громкий скандал и миллионные убытки для компании GM. Впоследствии данная технология была доведена до совершенства европейскими производителями — Mercedes-Benz, BMW, Porsche, Audi, и в 80-х — 90-х годах была применена на их серийных моделях. Такой блок можно даже в ограниченных пределах растачивать, так как толщина упрочненного слоя алюминия составляет порядка нескольких микрон. Тем не менее, чувствительность цельноалюминиевых блоков к перегреву и качеству смазочных материалов никуда не делась — такие двигатели требуют высокой культуры обслуживания, а за их температурным режимом зорко следит управляющая электроника.

Сравнительно недавно немецкая фирма Kolbenschmidt разработала и технологию, при которой в обычный алюминиевый блок запрессовываются готовые алюминий-кремниевые гильзы с повышенным (до 27 %) содержанием кремния упрочненными стенками (технология Locasil), — это позволяет снизить стоимость.

Альтернативной является технология Nicasil — никелевое покрытие на алюминиевых стенках цилиндров с напылением кристаллов карбида кремния, её цель всё та же — повышение твёрдости. Её ограниченно применяли ещё в 60-е — 70-е годы для двигателей очень дорогих спортивных автомобилей, в частности — используемых в Formula 1. Из современных двигателей, такие блоки имели М60 и М52 фирмы BMW, причём их продажи в некоторых странах сопровождались скандалом — «никасил» разрушался от реакции с некоторыми видами топлива с высоким содержанием серы (что характерно, в частности, для некоторых регионов США и России). Главный же недостаток «никасила» — тонкое никелевое покрытие легко повреждается например при обрыве шатуна или прогаре поршня, и уже не подлежит восстановлению. Капремонт также невозможен — только замена блока (поршней ремонтного размера для таких моторов не делают).

Блоки из магниевого сплава сочетают твёрдость чугунных и лёгкость алюминиевых. К сожалению, магний редок и дорог, поэтому используется крайне редко, обычно на спортивных моторах. Некоторое исключение — двигатель «Запорожца» с картером из авиационного магниевого сплава МЛ-5 (и отдельными чугунными цилиндрами).

Блок цилиндров: как он появился, развивался и зачем вообще нужен

На первый взгляд, поставленный в заголовке вопрос выглядит бессмысленно. Что значит «зачем вообще нужен блок цилиндров»? Он представляется как некая вечная данность, как основа всего и вся. А ведь у первых автомобилей с ДВС никакого блока цилиндров не было! Сейчас, долгими январскими вечерами, самое время вернуться к самым-самым истокам, вспомнить «лихие 30-е» и проследить эволюцию от примитивных конструкций конца XIX века до современных алюсиловых моторов. И убедиться, насколько много общего они имеют.

Г ражданское моторостроение – это очень консервативная отрасль. Все те же коленчатый вал, поршни, цилиндры, клапаны, как и 100 лет назад. Удивительные бесшатунные, аксиальные и другие схемы никак не хотят внедряться, доказывая свою непрактичность. Даже двигатель Ванкеля, большой прорыв шестидесятых, фактически остался в прошлом.

Все современные «новшества», если присмотреться, лишь внедрение гоночных технологий пятидесятилетней давности, приправленное дешевой в производстве электроникой для более точного управления «железяками». Прогресс в строительстве двигателей внутреннего сгорания – скорее в синергии небольших изменений, чем в глобальных прорывах.

И жаловаться-то вроде бы грех. Про надежность и ремонтопригодность в этот раз не будем, а мощость, чистота и экономичность современных двигателей для человека из семидесятых годов показались бы истинным чудом. А если отмотать еще несколько десятилетий?

Сотню лет назад моторы были еще карбюраторные, с зажиганием от магнето, обычно нижнеклапанные или даже с «автоматическим» впускным клапаном… И ни о каких наддувах еще и не думали. А еще старые-старые двигатели не имели детали, которая сейчас является главным его компонентом – блока цилиндров.

До внедрения блока

Первые моторы имели картер, цилиндр (или несколько цилиндров), но блока у них не было. Вы удивитесь, но основа конструкции – картер – частенько был негерметичным, поршни и шатуны были открыты всем ветрам, а смазывались из масленки капельным способом. Да и само слово «картер» сложно применимо к конструкции, сохраняющей взаимное положение коленчатого вала и цилиндра в виде ажурных кронштейнов.

У стационарных двигателей и судовых подобная схема сохраняется и по сей день, а автомобильные ДВС все же нуждались в большей герметичности. Дороги всегда были источником пыли, которая сильно вредит механизмам.

Первопроходцем в области «герметизации» считается компания De Dion-Bouton, которая в 1896 году запустила в серию мотор с цилиндрическим закрытым картером, внутри которого размещался кривошипно-шатунный механизм.

На фото: мотор Де-Дион

Правда, газораспределительный механизм с его кулачками и толкателями размещался еще открыто – это было сделано ради лучшего охлаждения и ремонта. Кстати, к 1900 году эта французская компания оказалась крупнейшим производителем машин и ДВС в мире, выпустив 3 200 моторов и 400 автомобилей, так что конструкция оказала сильное влияние на развитие моторостроения.

…и тут появляется Генри Форд

Первая массовая конструкция с цельным блоком цилиндров до сих пор остается одной из самых массовых машин в истории. Модель Ford T, появившаяся в 1908 году, имела четырехцилиндровый мотор, с чугунной головкой блока, нижними клапанами, чугунными поршнями и блоком цилиндров – опять же из чугуна. Объем мотора был вполне «взрослый» по тем временам, 2,9 литра, а мощность в 20 л. с. еще долго считали вполне достойным показателем.

На фото: двигатель Ford T

Более дорогие и сложные конструкции в те годы щеголяли раздельными цилиндрами и картером, к которому они крепились. Головки цилиндров часто были индивидуальными, и вся конструкция из головки цилиндра и самого цилиндра крепилась к картеру шпильками. После появления тенденции к укрупнению узлов картер часто оставался отдельной деталью, но блоки по два-три цилиндра все еще были съемными.

В чем смысл разделения цилиндров?

Конструкция с отдельными съемными цилиндрами выглядит сейчас несколько необычно, но до Второй мировой войны, несмотря на нововведения Генри Форда, это была одна из наиболее распространенных схем. У авиационных моторов и двигателей воздушного охлаждения она сохранилась и поныне. А у «воздушного оппозитника» Porsche 911 series 993 вплоть до 1998 года никакого блока цилиндров не было. Так зачем же разделять цилиндры?

Цилиндр в виде отдельной детали – штука вообще-то достаточно удобная. Его можно сделать из стали или любого другого подходящего материала, например, бронзы или чугуна. Внутреннюю поверхность можно покрыть слоем хрома или никельсодержащих сплавов, при необходимости сделав ее очень твердой. А снаружи нарастить развитую рубашку для воздушного охлаждения. Механическая обработка сравнительно компактного узла будет точной даже на достаточно простых станках, а при хорошем расчете крепления тепловые деформации будут минимальны. Можно сделать гальваническую обработку поверхности, благо деталь небольшая. Если у такого цилиндра появился износ или другие повреждения, то его можно снять с картера мотора и поставить новый.

Минусов тоже хватает. Помимо более высокой цены и высоких требований к качеству сборки моторов с раздельными цилиндрами серьезным недостатком является низкая жесткость такой конструкции. А значит – повышенные нагрузки и износ поршневой группы. Да и с водяным охлаждением сочетать «принцип раздельности» получается не очень удобно.

Из мейнстрима моторы с раздельными цилиндрами ушли уже очень давно – минусы перевесили. К середине тридцатых годов в автомобилестроении подобные конструкции уже почти не встречались. Разнообразные комбинированные конструкции – например, с блоками из нескольких цилиндров, общим картером и головкой блока – попадались на мелкосерийных люксовых авто с объемными моторами (можно вспомнить подзабытую марку Delage), но к концу 30-х это все вымерло.

Победа цельночугунной конструкции

Привычная нам сегодня конструкция победила благодаря своей простоте и низкой стоимости изготовления. Большая отливка из дешевого и прочного материала после точной механообработки получается все равно дешевле и надежнее, чем отдельные цилиндры и тщательная сборка всей конструкции. А на нижнеклапанных моторах клапаны и распределительный вал располагаются тут же, в блоке, что еще больше упрощает конструкцию.

Рубашка системы охлаждения отливалась в виде полостей в блоке. Для особых случаев можно было применить и отдельные гильзы цилиндров, но мотор на Ford T таких изысков не имел. Чугунные поршни со стальными компрессионными кольцами работали прямо по чугунному цилиндру. И кстати, маслосъемное кольцо в привычном нам виде там отсутствовало, его роль выполняло нижнее третье компрессионное, расположенное ниже поршневого пальца.

На фото: Ford Model T

Такая «цельночугуниевая» конструкция доказала свою надежность и технологичность за много лет производства. И была перенята у Форда такими массовыми производителями, как GM, на долгие последующие годы.

Правда, отливка блоков с большим числом цилиндров оказалась технологически сложной задачей, и многие моторы имели по два-три полублока с несколькими цилиндрами в каждом. Так, рядные «шестерки» тридцатых годов иногда имели два трехцилиндровых полублока, а уж рядные «восьмерки» и подавно изготавливали по такой схеме. Например, мощнейший мотор Duesenberg Model J был изготовлен именно так: два полублока были накрыты единой головкой.

На фото: двигатель Duesenberg J

Впрочем, к началу сороковых годов прогресс позволил создавать и цельные блоки такой длины. Например, блок Chevrolet Straight-8 «Flathead» был уже цельным, что снижало нагрузку на коленчатый вал.

Чугунные гильзы в чугунном же блоке тоже были достаточно удачным решением. Высокопрочный легированный химически стойкий чугун стоил дороже обычного, и отливать из него весь большой блок не имело смысла. А вот сравнительно небольшая «мокрая» или «сухая» гильза оказалась хорошим вариантом.

Освоенная в довоенные еще годы принципиальная конструкция моторов не меняется много десятилетий подряд. Блоки цилиндров многих современных моторов отлиты из серого чугуна, иногда со вставками из высокопрочного в зоне верхней мертвой точки. Например, чугунный блок имеет вполне современный Renault Kaptur с мотором F4R, об обслуживании которого мы писали на днях. Чугун хорош, в частности, тем, что блок из него легко поддается капремонту расточкой цилиндров большего диаметра. Если, конечно, производитель выпускает поршни «ремонтного» размера.

На фото: двигатель F4R

Правда, с годами блоки становятся все более «ажурными» и менее массивными. По ранним блокам цифры найти сложно, но давайте возьмем два семейства моторов с разницей чуть более чем в 10 лет. У блока серии GM Gen II середины 90-х толщина стенки моторов колебалась от 5 до 9 мм. У современного VW EA888 конца 2000-х – уже от 3 до 5. Но мы явно забегаем вперед…

Делаем блок легче

Утончение стенок, чем вовсю занимаются конструкторы в последние годы – это, как вы понимаете, не единственный способ снизить вес блока. В 20-30-е годы о экономии массы и топлива думали существенно меньше, чем сейчас, но первые попытки облегчения делались. И уже тогда додумались использовать алюминий.

На гоночных и спортивных машинах той эпохи можно было встретить симбиоз из алюминиевого картера и головки блока с чугунной отливкой блоков цилиндров. Затем прогресс в металлообработке позволил создать более удобный вариант подобного симбиоза. Блок цилиндров оставался цельным, но отливался из алюминия, что снижало его массу в три-четыре раза, в том числе и за счет лучших литьевых качеств металла. Сами же цилиндры изготавливали в виде чугунных гильз, которые запрессовывали в блок.

Гильзы делились на «сухие» и «мокрые», разница в общем-то понятна из названия. В блоках с сухой гильзой она вставлялась в алюминиевый цилиндр (или вокруг нее отливался блок) с натягом, а «мокрая» гильза просто закреплялась в блоке нижним концом, а при установке ГБЦ полость вокруг превращалась в рубашку охлаждения. Второй вариант оказался перспективнее на тот момент, поскольку упрощал отливку и снижал массу деталей. Но в дальнейшем рост требований к жесткости конструкции, а также сложность сборки подобных двигателей оставили эту технологию «за бортом» прогресса.

Сухие же гильзы в алюминиевом блоке – это и сейчас самый распространенный вариант изготовления детали. И один из самых удачных, ведь чугунная гильза изготавливается из высококачественного легированного чугуна, алюминиевый блок жесткий и легкий. К тому же теоретически эта конструкция еще и ремонтопригодна, как и чугунные блоки. Ведь изношенную гильзу можно «вынуть» и запрессовать новую.

Что дальше?

Единственная принципиально новая технология последних лет – это еще более легкие блоки с напылением сверхпрочного и сверхтонкого слоя на внутреннюю поверхность цилиндров. Подробно о плюсах и минусах, и даже о способах капремонта подобных конструкций я уже писал – повторяться смысла нет. Концептуально мы имеем все тот же ДВС образца 30-х годов. И есть все основания полагать, что до конца «эры внутреннего сгорания», когда доведут до ума электромобили, моторы на жидких углеводородах останутся примерно такими же.

Блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания

Блок цилиндров (блок двигателя) является основной и базовой деталью двигателя внутреннего сгорания, на него приходится основная часть нагрузки и в нем размещаются основные узлы и механизмы. Поэтому к блоку цилиндров предъявляют жесткие требования, его производят из материалов высокого качества и обрабатывают на специальных высокоточных станках. В основном блоки цилиндров выполняют из перлитного серого чугуна с небольшими добавками легирующих элементов, но в последнее время их часто можно встретить из алюминия и даже магния. Из чугуна, в основном, изготавливают блоки для грузовых автомобилей и тракторной техники, а из алюминия — для легковых и спортивных автомобилей. На высокофорсированных спортивных двигателях с турбонаддувом в настоящее время стали выполнять блоки из комбинированных материалов, внутренняя часть которых отлита из алюминия, а внешняя (где располагается рубашка охлаждения) — из магния.
Алюминиевые и комбинированные блоки позволяют добиться серьезного снижения веса всего двигателя и автомобиля в целом, что является большим плюсом для спортивных автомобилей. За счет сложной конструкции лабиринтного типа с огромным количеством скрытых полостей блоки цилиндров отливают под высоким давлением. Именно высокое давление позволяет получить правильную форму, предотвратить образование неоднородности и воздушных полостей в «тело» металла.
Блоки цилиндров, которые изготавливают из комбинированного металла, получают более сложным способом – сначала отливают среднюю часть под высоким давлением из алюминия высокой чистоты, и только после этого внешнюю часть из магния. Технология изготовления блоков из комбинированных (Рисунок №1) металлов очень сложна и ответственна, именно поэтому такую конструкцию применяют только на очень дорогих автомобилях и, как правило, несерийного производства, где снижение веса двигателя оправдано. Однако чугунные блоки выдерживают более высокие нагрузки, они устойчивее к перегревам и обладают меньшей теплоемкостью. Теплоемкость чугуна позволяет быстрее прогреться двигателю до рабочей температуры, что позволит сократить время работы ДВС во время прогрева при эксплуатации в зимний период. Не стоит забывать, что и теплопроводность чугуна намного ниже (примерно в 4 раза) алюминия, из-за чего система охлаждения в таких двигателях работает в более сложных условиях.

Рисунок №1 — Блок цилиндров автомобиля Ferrari 911

Читайте также

При изготовлении блока цилиндров учитывают способ монтажа гильз цилиндров (рисунок №3). Гильзы цилиндров изготавливают из высоких сортов стали. Гильзы цилиндров бывают либо съемные, либо влитые (вмонтированные в блок), в настоящее время чаще всего используют влитые гильзы. Влитые гильзы устанавливают в форму еще до образования самого блока цилиндров, который отливают вместе с гильзами за счет чего происходит диффузия одного металла в другой. Такой способ изготовления блока цилиндров снижает затраты на производство ДВС, но также снижает и ремонтопригодность двигателя в целом. В случае поломки вследствие естественного износа или других факторов, заменить гильзу не представляется возможным, и блок утилизируется целиком. Съемные гильзы могут быть как «мокрым», так и «сухими». «Мокрая» гильза соприкасается с охлаждающей жидкостью, а «сухая» устанавливается в дополнительную внутреннюю втулку и не соприкасается с жидкостью. Также в алюминиевых двигателях первых серий существовала острая проблема в использовании технологии установки гильзы, так, если гильзу вливали или устанавливали «сухую», то через некоторое время гильза расклепывала блок цилиндров за счет разных линейных колебаний вследствие воздействия температур. Из-за этого было отдано предпочтение «плавающим» «мокрым» гильзам. С начала 1980-х годов начали применять технологию запрессовки тонкостенной гильзы, окруженной алюминием, в блок цилиндров. Но у такого способа есть много недостатков.

Рисунок №2 — Краткое описание устройства двигателя ЯМЗ 240 (жирным показан блок цилиндров) 1. блок цилиндров, 2. стартер, 3. вал коленчатый, 4. маховик, 5. кожух маховика, 6. шатун, 7. цилиндр, 8. поршень, 9. головка блока цилиндров, 10. крашка клапанная, 11. коллектор выпускной, 12. топливный насос высокого давления, 13. поддон картера, 14. маслозаборник, 15. масленный насос, 16. коллектор впускной, 17. фильтр тонкой очистки топлива, 18. форсунка высокого давления, 19. вал распределительный, 20. толкатель, 21. коромысло.

Рубашка системы охлаждения выполняет очень важную роль в блоке цилиндров ДВС — она предоставляет доступ охлаждающей жидкости к нагретым деталям цилиндро-поршневой группы. Рубашка охлаждения представляет собой пустоты во внутренних полостях блока и проектируется таким образом, чтобы охлаждающая жидкость смогла эффективно и равномерно отводить тепло от нагретых деталей.
Также в блоке цилиндров расположены каналы для подачи смазывающей жидкости (моторного масла), ко всем трущимся поверхностям. Чаще всего такие каналы изготавливают в готовой отливке, а ненужные выходы закрывают пробками.
В блоке цилиндров располагаются все основные узлы двигателя внутреннего сгорания: коленчатый вал, поршни, приводной механизм ГРМ, поддон и т.д. Их относительное положение очень важно выдерживать в пределах допуска, указанного на чертеже. Несоблюдение этих требований приводит к браку или к резкому снижению ресурса работы ДВС. При изготовлении и обработке блока цилиндров очень важно соблюдать допуски на перпендикулярность осей цилиндров и оси коленчатого вала. Именно поэтому при обработке блока цилиндров важное значение имеет правильный выбор и подготовка баз, обеспечивающих постоянство установки деталей относительно инструментов и рабочих органов станка на всех операциях. Наиболее часто в качестве установочных баз при обработке блоков применяют плоскости достаточно большой протяженности и два отверстия, расположенные на наибольшем расстоянии. У блоков чаще всего в качестве установочных баз выбирают плоскости разъема или плоскости лап и отверстий для крепления, а в качестве черновой базы – отверстия под гильзы цилиндров и гнезда подшипников.
Гнезда для установки крышек коренных подшипников обычно обрабатывают набором фрез с последующей обработкой сборной протяжкой на специальных протяжных станках и обычных горизонтальных протяжных станках, оснащенных приспособлениями для закрепления детали и направления протяжки.
Торцовые поверхности крупных блоков обрабатывают на горизонтально-расточных станках.
Плоскости крышек цилиндров (головок) блоков крупных двигателей, особенно в тех случаях, когда поверхности деталей имеют выступы или выемки, обрабатывают на карусельных станках. Плоскости небольших блоков обрабатывают на продольно-шлифовальных протяжных станках.

Рисунок №3 — типы гильз цилиндров. А — сухая без упорного буртика, Б — сухая с упорным буртиком, В — мокрая с верхним упорным фланцем, Г — мокрая с нижним упорным буртиком, Д — мокрая со средним упорным буртиком.

Обработка основных отверстий производится на универсальных горизонтально-расточных и радиально-сверлильных станках по разметке.
Растачивание глухих отверстий ведется борштангами, консольно закрепленными в шпинделе станка. При обработке сквозных отверстий, а также для обеспечения правильного расположения и точности отверстий, станки оснащают приспособлениями, в которых расточные борштанги направляются неподвижными или вращающимися втулками.
В крупносерийном производстве растачивание отверстий под гильзы в крупных блоках производят на приспособлениях, размещенных на столе горизонтально-расточного станка с постоянными жестко закрепленными опорами борштанг и установкой блока на постоянные базовые поверхности. В крупносерийном производстве при обработке отверстий под гильзы в блоках средних и малых размеров широко применяются вертикальные и многошпиндельные станки. На этих станках деталь устанавливается на нижнюю полость и контрольные отверстия, а борштанги с набором резцов вращаются в верхних и нижних направляющих втулках. Одновременно с растачиванием отверстий под гильзы производится подрезание буртиков, на которые опирается гильза. Эти буртики должны быть точно обработаны по высоте и строго перпендикулярны оси отверстий под гильзы, так как это определяет размеры камеры сжатия и надежность уплотнения стыка блока с головками цилиндров.