Блок цилиндров

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
«Голый» блок цилиндров

Блок цилиндров — основная деталь двух- 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 (корпусной деталью) двигателя, к которой так или иначе крепятся остальные его компоненты.

Сами цилиндры в блоке цилиндров могут являться как частью отливки блока цилиндров, так и быть отдельными сменными втулками («гильзами»), которые могут быть «мокрыми» или «сухими» — в зависимости от того, контактируют ли они непосредственно с охлаждающей жидкостью в рубашке охлаждения двигателя. Помимо функции корпусной детали, блок цилиндров несет дополнительные функции: является основной частью системы смазки — по каналам в блоке цилиндров масло под давлением подается к местам смазки, а в двигателях жидкостного охлаждения — и системы охлаждения: охлаждающая жидкость циркулирует внутри блока цилиндров по полостям, образующим рубашку охлаждения.

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» с алюминиевыми 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 Европе, где её использовали производители спортивных и дорогих представительских машин (BMW, Jaguar, некоторые итальянские фирмы), и в СССР, где алюминиевые блоки цилиндров имели применяться практически все автомобили собственной разработки, включая грузовики — что, помимо вышеуказанных преимуществ, давало возможность капитально ремонтировать блок цилиндров просто заменяя гильзы, обеспечивая большой экономический эффект.

Тем не менее, у неё были и свои недостатки. Алюминиевый блок с мокрыми гильзами — особенно более технологичный в изготовлении с нижней фиксацией гильз — получается ощутимо менее жёстким, чем цельнолитой чугунный, чувствителен к перегреву и хуже переносит форсировку. Алюминий намного дороже чугуна, а технология изготовления гильзованного алюминиевого блока цилиндров намного более трудоёмка и существенно усложняет производство. Кроме того, некоторые алюминиевые сплавы отличаются высокой склонностью к коррозии при использовании определённых марок антифризов, что порой создавало существенное неудобство в эксплуатации (в условиях плановой экономики СССР эта проблема была решена просто — принятием единого госстандарта на нейтральную к алюминиевым сплавам охлаждающую жидкость ТОСОЛ). Поэтому до 80-х — 90-х годов основным материалом для изготовления блоков цилиндров, особенно на американских автомобилях, всё же оставался чугун.

Иногда в двигателях с чугунным блоком цилиндров также использовались съёмные гильзы цилиндров. Это давало всё то же преимущество с точки зрения простоты капитального ремонта, а также — возможность выполнить гильзы из более качественного и износоустойчивого, но и более дорого, материала, чем сам чугунный блок. Например, в СССР гильзы цилиндров обычно делали из специального кислотоупорного чугуна (или снабжали вставками из этого материала), существенно снижающего коррозию стенок цилиндров при взаимодействии с конденсирующимися после прекращения работы мотора продуктами сгорания топлива.

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, такие блоки также не были 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 и потенциально снижает его долговечность.

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 химическим травлением обогащала их поверхностные слои кристаллами кремния (специально подобранного состава кислота вымывала алюминий с поверхности стенки, не трогая кремний), доводя до требуемой твёрдости (кремний сам по себе 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 намного раньше исчерпания нормативного ресурса 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 с повышенной концентрацией кристаллов кремния составляет порядка нескольких микрон. Тем не менее, чувствительность цельноалюминиевых блоков к перегреву и качеству смазочных материалов никуда не делась — такие двигатели требуют высокой культуры эксплуатации и 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, имеющие упрочненные стенки с повышенным (до 27 %) содержанием кремния (технология Locasil), — это позволяет снизить себестоимость и частично решает проблему ремонтопригодности.

Альтернативой является технология Nicasil — никелевое покрытие на алюминиевых стенках цилиндров с напылением кристаллов карбида кремния. Принцип работы здесь тот же — повышение твёрдости алюминиевых стенок цилиндров. Эту технологию 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 моторы М60 и М52 фирмы BMW, причём их продажи в некоторых странах сопровождались скандалом — «никасил» разрушался от реакции с некоторыми сортами топлива, содержащими повышенную концентрацию 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 нечасто, и обычно на узкоспециализированных спортивных моторах. Некоторое исключение — двигатель «Запорожца» с картером из авиационного магниевого сплава МЛ-5 (и отдельными чугунными цилиндрами).

Ссылки[править | править исходный текст]