Из чего делают блок цилиндров двигателя?

Блок цилиндров: его устройство и разновидности, какие типы бывают и от чего зависит строение блока

Основой поршневого двигателя внутреннего сгорания является блок цилиндров. Блок цилиндров двигателя применяется на ДВС с 2 или более цилиндрами.

Выполняется блок цилиндров в виде одной цельнолитой детали, которая предназначена для следующих функций: объединяет все цилиндры двигателя, является основой для навесных деталей (ГБЦ, картер) и имеет внутри конструкции места (постели) для коленвала, каналы для систем смазки и охлаждения.

Устройство блока цилиндров двигателя

Наиболее распространенным материалом для изготовления блока цилиндров двигателя является чугун. Это традиционный материал. Следующим по списку идёт алюминий в виде различных сплавов. Наиболее редкий материал для блока цилиндров – магниевый сплав.

• Чугун имеет такие положительные характеристики, как жёсткость и малая чувствительность к перегреву двигателя. Блок цилиндров, устройство, которое работает в постоянной смене температурных режимов, поэтому чугунный блок здесь лидирует. При этом есть большой минус чугунного блока – большая масса.
• Алюминий имеет такие положительные свойства, как отличное охлаждение двигателя и маленькая масса. Особенностями алюминиевых блоков является подбор и установка гильз. Наиболее распространенными сегодня является технология Locasil – запрессовка гильз из алюминий – кремния и Nicasil – никелевое покрытие. Недостаток второй технологии – она не ремонтнопригодна. Блок цилиндров никосиловой технологии не подлежит расточке, а меняется в сборе. Это накладно для владельца автомобиля.
• Магниевый сплав не применяется для конвейерного производства блока цилиндров в силу своей дороговизны. Хотя, является идеальным сочетанием жёсткости и крепости чугуна и лёгкости алюминия.

Основные составляющие блока цилиндров

• Головка блока цилиндров (ГБЦ). Крепится сверху блока при помощи направляющих шпилек и болтов крепления ГБЦ. Между ГБЦ и блоком цилиндров находится очень важная деталь – прокладка блока цилиндров.
• Прокладка блока цилиндров бывает асбестометаллической, бесасбестовой или металлической.
• Цилиндр двигателя – это гильзы, которые применяются в двух вариантах: впрессованные непосредственно в блок цилиндров промышленным способом (как правило для алюминиевых блоков); гильзы съёмные: «мокрого» и «сухого» типов.
• Картер. Является конструктивной нижней частью блока цилиндров. Выполняет функцию корпуса для КШМ (кривошипно-шатунного механизма). Снизу картер закрывается поддоном картера.

В самом корпусе блока цилиндров устроены отверстия и каналы для систем смазки и охлаждения двигателя.

Сливная пробка блока цилиндров предназначена для слива охлаждающей жидкости, в то время как для слива моторного масла, существует пробка в поддоне картера.

В полости блока цилиндров существуют места для размещения привода распредвала. Это место спереди закрывает крышка блока цилиндров. В нижней части блока располагаются опоры для коренных подшипников коленвала. Успехов вам в постижении тайн устройства блока цилиндров двигателя.

Источник:

Блок цилиндров двигателя и его устройство

Блок цилиндров – самая большая и массивная часть двигателя внутреннего сгорания. Он изготавливается из алюминия, чугуна или их сплавов. Главные требования к блоку цилиндров – хорошая теплопроводность, прочность и износоустойчивость.

Блок цилиндров двигателя, назначение блока цилиндров

Блок цилиндров служит вместилищем для деталей цилиндропоршневой группы.

Внутри блока находится кривошипно-шатунный механизм двигателя (КШМ), состоящий из: поршней, поршневых пальцев, шатунов и шатунных вкладышей, поршневых колец (компрессионных и маслосъемных), коленчатого вала, крепежных элементов.

Кривошипно-шатунный механизм – основной механизм двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающий преобразование энергии сгорания топлива через возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

По конструктивному расположению цилиндров ДВС блоки цилиндров бывают:

• рядные
• V – образные
• оппозитные

Существуют блоки цилиндров и других конструктивных видов, но чаще всего на автомобилях используются эти три вида.

Система охлаждения блока цилиндров

Помимо кривошипно-шатунного механизма, в состав блока цилиндров входит «рубашка» охлаждения. Она служит для циркуляции охлаждающей жидкости, то есть отвода тепловой энергии от двигателя.

Это обеспечивает поддержание оптимальной температуры работы ДВС. «Рубашка» охлаждения вырезана внутри блока цилиндров специальным инструментом.

Во избежание ее засорения и закоксовывания следует менять охлаждающую жидкость через определенное время, согласно нормативно-технической документации по эксплуатации автомобиля. Она составляется заводом-изготовителем.

Устройство блока цилиндров

Сами цилиндры вырезаются в блоке при помощи токарного станка. Они должны быть гладкими и устойчивы к износу и высокой температуре. Гладкость придается при помощи процедуры хомингования, прочность – при помощи термообработки металла.

На двигателях старого образца цилиндры «гильзовались» – внутрь просверленного отверстия цилиндра вставлялась гильза, внутри которой поршень совершал возвратно-поступательные движения.

Чтобы избежать повышенного износа стенок цилиндра, а также деталей цилиндропоршневой группы, необходимо регулярно менять смазочные и фильтрующие материалы.

• При определении износа цилиндра используется термин «выработка на цилиндре».
• Она измеряется специальным прибором – нутрометром, которые могут быть…
• Если выработка превышает предельно допустимое значение, то блок цилиндров отправляют на расточку до следующего ремонтного размера поршней.
• Если цилиндры изношены настолько, что расточка не поможет, то их загильзовывают.
• Однако к этому методу прибегают редко, и блок полностью заменяют на новый.

После расточки блока обязательно уточните у токаря, под какой размер поршней расточены цилиндры (если вы сами ему об этом не сказали), чтобы приобрести поршни нужного ремонтного размера.

В противном случае блок вам долго не прослужит, и через пару тысяч километров пробега вы вновь вернете его на токарную обработку.

Помните, что при ремонте блока ошибка в 0,1 мм может оказаться фатальной. Поэтому заранее запаситесь терпением и необходимым инструментом. Особенно важно иметь под рукой микрометр.

Источник:

Устройство современного двигателя внутреннего сгорания

Изобретение двигателя внутреннего сгорания позволило человечеству в развитии шагнуть значительно вперед. Сейчас двигатели, которые используют для выполнения полезной работы энергию, выделяемую при сгорании топлива, используются во многих сферах деятельности человека. Но самое большее распространение эти двигатели получили в транспорте.

Все силовые установки состоят из механизмов, узлов и систем, которые взаимодействуя между собой, обеспечивают преобразование энергии, выделяемой при сгорании легковоспламеняемых продуктов во вращательное движение коленчатого вала. Именно это движение и является его полезной работой.

Чтобы было понятнее, следует разобраться с принципом работы силовой установки внутреннего сгорания.

Принцип работы

При сгорании горючей смеси, состоящей из легковоспламеняемых продуктов и воздуха, выделяется больше количество энергии. Причем в момент воспламенения смеси она значительно увеличивается в объеме, возрастает давление в эпицентре воспламенения, по сути, происходит маленький взрыв с высвобождением энергии. Этот процесс и взят за основу.

Если сгорание будет производиться в закрытом пространстве – возникающее при сгорании давление будет давить на стенки этого пространства.

Если одну из стенок сделать подвижной, то давление, пытаясь увеличить объем замкнутого пространства, будет перемещать эту стенку.

Если к этой стенке присоединить какой-нибудь шток, то она уже будет выполнять механическую работу – отодвигаясь, будет толкать этот шток. Соединив шток с кривошипом, при перемещении он заставит провернуться кривошип относительно своей оси.

В этом и заключается принцип работы силового агрегата с внутренним сгоранием – имеется закрытое пространство (гильза цилиндра) с одной подвижной стенкой (поршнем). Стенка штоком (шатуном) связана с кривошипом (коленчатым валом). Затем производится обратное действие – кривошип, делая полный оборот вокруг оси, толкает штоком стенку и так возвращается обратно.

Но это только принцип работы с пояснением на простых составляющих. На деле же процесс выглядит несколько сложнее, ведь надо же вначале обеспечить поступление смеси в цилиндр, сжать ее для лучшего воспламенения, а также вывести продукты горения. Эти действия получили название тактов.

Всего тактов 4:

• впуск (смесь поступает в цилиндр);
• сжатие (смесь сжимается за счет уменьшения объема внутри гильзы поршнем);
• рабочий ход (после воспламенения смесь из-за своего расширения толкает поршень вниз);
• выпуск (отведение продуктов горения из гильзы для подачи следующей порции смеси);

Такты поршневого двигателя

Из этого следует, что полезное действие имеет только рабочий ход, три других – подготовительные. Каждый такт сопровождается определенным перемещением поршня. При впуске и рабочем ходе он движется вниз, а при сжатии и выпуске – вверх. А поскольку поршень связан с коленчатым валом, то каждый такт соответствует определенному углу проворота вала вокруг оси.

Реализация тактов в двигателе делается двумя способами. Первый – с совмещением тактов. В таком моторе все такты выполняются за один полный проворот коленвала. То есть, пол-оборота колен. вала, при котором выполняется движение поршня вверх или вниз сопровождается двумя тактами. Эти двигатели получили название 2-тактных.

Второй способ – раздельные такты. Одно движение поршня сопровождается только одним тактом. В итоге, чтобы произошел полный цикл работы – требуется 2 оборота колен. вала вокруг оси. Такие двигатели получили обозначение 4-тактных.

Блок цилиндров

Теперь само устройство двигателя внутреннего сгорания. Основой любой установки является блок цилиндров. В нем и на нем располагаются все составные.

Конструктивные особенности блока зависят от некоторых условий – количества цилиндров, их расположения, способа охлаждения. Количество цилиндров, которые объедены в одном блоке, может варьироваться от 1 до 16.

 Причем блоки с нечетным количеством цилиндров встречаются редко, из выпускающихся ныне двигателей можно встретить только одно- и трехцилиндровые установки. Большинство же агрегатов идут с парным количеством цилиндров – 2, 4, 6, 8 и реже 12 и 16.

Четырёхцилиндровый блок

Если количество цилиндров больше, их располагают в два ряда, при этом с определенным углом положения одного ряда относительно другого, так называемые силовые установки с V-образным положением цилиндров.

Такое расположение позволило уменьшить габариты блока, но при этом изготовление их сложнее, чем рядным расположением.

Восьмицилиндровый блок

Существует еще один тип блоков, в которых цилиндры располагаются в два ряда и с углом между ними в 180 градусов. Эти двигатели получили название оппозитных. Встречаются они в основном на мотоциклах, хотя есть и авто с таким типом силового агрегата.

Используется два типа охлаждения, которые применяются на силовых установках – воздушное и жидкостное. От этого зависит конструктивная особенность блока. Блок с воздушным охлаждением менее габаритный и конструктивно проще, поскольку цилиндры не входят в его конструкцию.

Блок с жидкостным же охлаждением более сложен, в его конструкцию входят цилиндры, а поверх блока с цилиндрами расположена рубашка охлаждения. Внутри ее циркулирует жидкость, отводя тепло от цилиндров. При этом блок вместе рубашкой охлаждения представляют одно целое.

Сверху блок накрывается специальной плитой – головкой блока цилиндров (ГБЦ). Она является одной из составляющих, обеспечивающих закрытое пространство, в котором производится процесс горения. Конструкция ее может быть простая, не включающая дополнительные механизмы, или же сложная.

Источник: https://superdvigatel.com/ustrojstvo-avtomobilya/dvigatel/ustrojstvo-bloka-tsilindrov.html

Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей

На протяжении многих десятков лет моторы изготавливали из самых обычных материалов — стали, чугуна, меди, бронзы, алюминия. Совсем немного пластика, иногда какие-то мелкие элементы, вроде корпусов карбюраторов, — из магниевых сплавов. На волне тенденции к всемерному облегчению конструкций и увеличению мощности при улучшении экологической составляющей состав материалов с тех времен заметно изменился. Из чего же сегодня делают двигатели? Разбираемся.

Большая часть автовладельцев наверняка знает главный тренд современного автомобилестроения: увеличение мощности двигателя при постоянном уменьшении его объема и массы. Секрет такого сочетания кроется в том числе в новых материалах и конструктивах. Ну и, разумеется, тщательной проработке всех элементов силового агрегата, а также уже не скрываемом отсутствии избыточных (читай: невыгодных) запасов прочности.

Как ни странно, всевозможные нанотрубки и прочий хай-тек, о котором постоянно говорят в СМИ, в моторостроении на самом деле почти не применяются. В серийных моторах самыми дорогими и сложными материалами являются кремнийникелевые покрытия, металлокерамический композит (например, известный как FRM у Honda), различные полимерно-углеродные композиции и постепенно появляющиеся в серийных двигателях титановые сплавы, а также сплавы с высоким содержанием никеля, например Inconel. В целом же двигателестроение остается очень консервативной областью машиностроения, где смелые эксперименты в серийном производстве не приветствуются.

Прогресс обеспечивается в основном «тонкой настройкой» и применением давно известных технологий по мере их удешевления. Основная масса серийных агрегатов состоит в основном из чугуна, стали и алюминиевых сплавов — по сути, самых дешевых материалов в машиностроении. Однако тут все же есть место для новых технологий.

Самая крупная деталь любого мотора — блок цилиндров. Она же самая тяжелая. Долгие десятки лет основным материалом для блоков служил чугун. Он достаточно прочен, хорошо льется в любую форму, его обработанные поверхности обладают высокой износостойкостью. Список достоинств включает и невысокую цену. Современные моторы небольшого рабочего объема по-прежнему льются из чугуна, и вряд ли в ближайшее время индустрия полностью откажется от этого материала.

Основная задача в совершенствовании сплавов чугуна — это сохранение высокой твердости поверхности при улучшении его вспомогательных качеств, иначе это может привести к необходимости использования чугунных же гильз для блока цилиндров из более износостойкого сплава. Так изредка делают, но в основном на грузовых моторах, где эта технология финансово оправданна.

Также развиваются технологии использования вторичного алюминия низкой очистки. Для таких сплавов применяются технологии, отличные от литья, причем налицо тенденция к изготовлению из алюминия блоков цилиндров более компактных моторов. Например, двигатель Volkswagen серии EA211 сегодня имеет алюминиевый блок, который оказался на 40% легче чугунного.

Магниевые сплавы значительно менее популярны. Они легче алюминиевых, но имеют значительно более низкую коррозийную стойкость, не переносят контакта с горячей охлаждающей жидкостью, со стальными крепежными деталями повышенной температуры.

На рядных шестицилиндровых блоках моторов BMW серий N52 и N53, например, из магниевого сплава выполнена только внешняя часть блока, «рубашка» системы охлаждения. Для сравнительно длинного блока шестицилиндрового мотора это дает выигрыш в массе порядка 10 кг по сравнению с цельноалюминиевой конструкцией.

Также магниевые сплавы используют для блок-картеров моторов с отъемными цилиндрами. В основном это двигатели мотоциклов.

Компоненты двигателя

Если с самой большой деталью мотора новые технологии и материалы не очень «дружат» в целом, то в частностях возможны интересные сюрпризы. Гильзы цилиндров у любого блока являются точкой приложения всех новейших технологий и материалов.

Высокопрочный чугун, методы поверхностного упрочнения алюминиевых высококремнистых сплавов, гальванические покрытия на основе сплава карбида кремния с никелем, металлокерамические матрицы и стальное напыление широко используются даже на серийных моторах.

Про чугун и высококремнистый алюминий говорить не будем, все же сами технологии не только старые, но и массовые. А вот про остальные материалы лучше рассказать чуть подробнее.

Упрочненные чугунные гильзы по технологии CGI (Compacted Graphite Iron) появились для реализации экстремально высокой степени форсирования у дизельных моторов. Этот чугун сильно отличается от распространенного серого чугуна. У него на 75% выше прочность на разрыв, на 40% выше модуль упругости, и он в два раза устойчивее к знакопеременным нагрузкам.

А его сравнительно невысокая стоимость и прочность позволяют создавать литые чугунные блоки с массой меньше, чем у алюминиевых. Но в основном его применение ограничено гильзами и коленчатыми валами. Гильзы получаются очень тонкими, теплопроводными и при этом столь же технологичными и надежными, как обычные гильзы из чугуна.

А коленчатые валы по прочности соперничают с коваными стальными при заметно меньшей себестоимости.

Покрытие по технологии Nicasil, в общем-то, не редкость и далеко не новинка, но оно остается одним из самых высокотехнологичных и перспективных в своей сфере. Изобрели его еще в 1967 году для роторно-поршневых двигателей, и засветиться в массовом автомобилестроении оно успело. Porsche его применял для гильз цилиндров с 1970-х, а в 1990-е его попытались применить и на более массовых моторах, например в BMW и Jaguar, но недостатки технологии и высокая цена заставили отказаться от него в пользу более дешевых методов поверхностного упрочнения высококремниевых сплавов, например по технологии Alusil.

Тем не менее это покрытие все еще остается лучшим выбором для создания рабочей поверхности в любом мягком металле, потому под различными торговыми наименованиями применяется в массовом и особенно гоночном двигателестроении. Например, под маркой SCEM в моторах Suzuki. Его недостатки в основном связаны с очень высокой стоимостью обработки и слабой приспособленностью к массовому производству при использовании с крупными многоцилиндровыми блоками.

Металлокерамическая матрица (MMC), более известная как FRM в моторах Honda, — еще один оригинальный и интересный материал. Например, двигатель на суперкаре NSX имел гильзы, выполненные по такой технологии. Опять же технология далеко не новая, но, как и материал, очень перспективная. Покрытие типа Nicasil тоже относится к MMC, но его приходится наносить гальваническим методом, и в качестве матрицы выступает достаточно твердый никель.

В технологии FRM материалом матрицы служит алюминий, а MMC получается в процессе заливки гильзы из волокнистого материала на основе карбоновой нити в алюминиевый блок. Использование углеродного волокна более технологично. К тому же матрица получается намного более толстой, чуть более мягкой, намного более упругой и абсолютно интегрированной в материал блока. Отслоение, как это происходило с Nicasil, попросту невозможно. Задиры и локальные повреждения в силу структуры материала ему почти не страшны, а в случае износа цилиндр можно расточить благодаря большому запасу по толщине.

Минусы у такого покрытия тоже имеются. Во-первых, немалая цена, во-вторых, жесткое отношение к поршневым кольцам, поскольку его структура плохо «настраивается». Тут не создать полноценной сетки хона, правда, масло хорошо удерживается в волокнах и без того.

Края волокон очень жесткие, и даже сверхтвердые кольца имеют ограниченный ресурс, а поршень в местах контакта интенсивно изнашивается при малейшем биении, что подразумевает использование поршней с минимальным зазором и очень короткой юбкой. К тому же покрытие очень маслоемкое.

В итоге у моторов постоянно наблюдался повышенный расход масла, что на определенном этапе не позволило выполнять жесткие экологические требования.

Впрочем, сейчас эта проблема уже не актуальна, новые катализаторы и новые поколения малозольных масел позволяют об этом не беспокоиться. Ну и, разумеется, цена нанесения покрытия такого типа заметно выше, чем у алюсила или чугунных гильз, но все же меньше, чем у Nicasil-подобных материалов.

Покрытия MMC разных типов также используются в целом ряде деталей двигателей. Например, в седлах клапанов в ГБЦ, упрочнениях крайних постелей распредвалов, особо нагруженных местах креплений элементов конструкции. Это позволяет широко применять цельноалюминиевые детали и снижать массу конструкции за счет упрощения. Некоторые детали двигателей могут иметь крупные элементы из MMC, например клапаны. Но это и сейчас удел не серийных конструкций.

Титановые сплавы также давно пытаются использовать в конструкции машин. В двигателях этот прочный, легкий и очень эластичный материал с превосходной химической стойкостью применяется очень ограниченно в силу высокой стоимости. Но можно найти серийные конструкции с деталями из титана.

Титановые шатуны, например, давно устанавливаются в моторах Ferrari и тюнинговом подразделении AMG. Еще титан — неплохой выбор для пружин, шайб, рокеров и прочих элементов ГРМ, деталей теплообменников EGR, а также разных крепежных элементов.

Теоретически детали из высококремнистых титановых сплавов с высоким содержанием интерметаллидов и сицилидов могут применяться в двигателях, но у большинства титановых сплавов наблюдается серьезная потеря прочности уже при температурах свыше 300 градусов — изменение пластичности в больших пределах и большой коэффициент расширения, что не позволяет создавать из них долговечные детали с низкой массой. Ограниченное применение имеет в двигателестроении и 3D-печать из титановых сплавов, например для создания выпускных систем на спорткарах.

А вот покрытия из нитрида титана — одни из самых популярных средств упрочнения поршневых колец. Этот материал отлично работает по кремниевому упрочненному слою гильз цилиндров. Его же используют как напыление на фаски клапанов, в том числе титановых, на торцы толкателей клапанного механизма и другие узлы двигателя.

Также нитрид титана является перспективным типом покрытия для гильз цилиндров: он может наноситься методом PA-CVD (плазмохимическое осаждение из газовой фазы), а значит, такие технологии могут стать серийными в ближайшее время, если будет спрос на новые износостойкие покрытия цилиндров.

Уже упомянутая 3D-печать также активно применяется для создания высокопрочных и высокоточных жаростойких деталей сплав Inconel. Это семейство никельхромовых жаростойких сплавов давно служит материалом для создания выпускных клапанов, верхних компрессионных колец, пружин и даже выпускных коллекторов, корпусов турбин и крепежного материала для высокотемпературного применения.

В последние годы, в связи с развитием технологий 3D-печати и активным использованием в них Inconel-сплавов, мелкосерийные ДВС все чаще обзаводятся деталями из этого очень перспективного материала. Рабочий диапазон деталей из него минимум на 150–200 градусов выше, чем у самых жаростойких сталей, и доходит до 1200 градусов. Как материал упрочнения сплавы Inconel используются серийно уже достаточно давно, так, в моторах Mercedes-Benz покрытие из Inconel применяется на моторах серий M272/M273.

Пластмассы также продолжают внедрять в конструкции двигателей. Выполненные из пластика элементы системы впуска и охлаждения — дело уже привычное.

Концепты моторов с блоком цилиндров из пластмассы, а точнее, из полимерно-углеродных композиций, уже были представлены публике. При незначительно меньшей прочности, чем у легких сплавов, пластик в производстве обходится дешевле и значительно лучше перерабатывается.

Каков итог?

Изучение вопроса применяемости материалов в двигателестроении показывает четкую направленность: для снижения массы и улучшения других характеристик применение каких-то суперматериалов либо не особо требуется, либо невозможно в принципе в силу физических и химических свойств.

Развитие технологий идет путем эволюционным — усовершенствования как самого производства, так и традиционных материалов, реорганизации рабочего процесса и конструкторской оптимизацией.

Так что даже в среднесрочной перспективе мы вряд ли увидим революцию в производстве ДВС, скорее речь будет идти о постепенном отказе от этого типа двигателя в принципе в пользу электротехнологий, хотя и там пока не наблюдается бурного технологического прорыва.

Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен

Telegram Instagram Подключить ленту новостей RSS

16+

Источник: https://dvizhok.su/parts/iz-chego-delayut-sovremennyie-dvigateli-novyie-materialyi-na-sluzhbe-avtoproizvoditelej

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.

Гражданское 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

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. 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.

Источник

Источник: https://koleso.temaretik.com/1062261954670758290/blok-tsilindrov-kak-on-poyavilsya-razvivalsya-i-zachem-voobsche-nuzhen/

Блок цилиндров двигателя, устройство, принцип работы и неисправности блока цилиндров

Блок цилиндров изготавливается с помощью литья с последующей механической обработкой. Нижняя часть блока цилиндров обычно обрабатывается для установки в блок коренных подшипников коленчатого вала и для присоединения поддона картера. Большое значение имеет расстояние между соседними цилиндрами.

Увеличение расстояния дает возможность повысить жесткость блока и обеспечить возможность увеличения в дальнейшем рабочего объема двигателя путем увеличения диаметра цилиндров (наиболее простой способ получения модификаций двигателей различной мощности).

С другой стороны, это приводит к увеличению га­баритных размеров двигателя и его массы.

В последнее время некоторые производители автомобильных двигателей изготавливают блоки цилиндров, в которых соседние цилиндры соприкасаются стенками (так называемые сиамские блоки с «сухими» гильзами). Такой способ дает возможность получить довольно жесткую конструкцию при сравнительно небольшом размере. Жесткость блока цилиндров в значительной степени определяет шумовые характеристики двигателя.

Рис. Блок цилиндров двигателя Nordstar GM с «сухой» гильзой.

Характерной особенностью современных высоконагруженных двигателей является применение опорной рамы, которая крепит коленчатый вал. К опорной раме крепится высокий алюминиевый масляный поддон, который максимально изолирован от вибраций кривошипно-шатунного механизма, что положительно сказывается на акустике двигателя. Дополнительную функцию выполняет контур опорной рамы коленчатого вала. Он играет роль маслоотражателя в области противовесов коленчатого вала и шатунов. Таким образом, стекающее масло не разбрызгивается по стенкам всего блока двигателя, а улавливается и отводится непосредственно в поддон.

Рис. Блок цилиндров двигателя Audi 4,2 л V8 TDI: 1 – главная масляная магистраль; 2 – блок цилиндров; 3 – опорная рама; 4 – алюминиевый масляный поддон; 5 – каналы слива масла; 6 – приливы опорной рамы; 7 – коленчатый вал

Долгое время единственным материалом для изготовления блоков цилиндров служил чугун. Этот материал недорог, он обладает прочностью и жесткостью при хороших лить­евых качествах. Кроме того, обработанные хонингованием внутренние поверхности чугунных цилиндров обладают отличными антифрикционными свойствами и высокой износостойкостью. Су­щественными недостатками чугуна являются его большая масса и низкая теплопроводность.

Алюминий значительно уступает чугуну в жесткости и износостойкости, поэтому блок из алюминия должен иметь большое количество ребер жесткости, а в качестве цилиндров обычно служат чугунные гильзы, которые вставляются в алюминиевый блок в процессе сборки, заливаются или запрессовываются в него при изготовлении.

История создания

Первый рядный блок цилиндров двигателя придумал немецкий изобретатель Николаус Август Отто, именно он в 1876 году разработал очень эффективный для того времени бензиновый двигатель. V-образный вариант в 1889 году сконструировал Готлиб Даймлер, когда принимал участие в создании усовершенствованного двухцилиндрового двигателя.

После этих событий деталь прошла длинный путь эволюции и стала такой, какая она есть в большинстве современных моторов.

«Алюминиевые» двигатели и их преимущества

Использование в производстве современных технологий дает возможность изготовления легких «алюминиевых» двигателей, у которых блок цилиндров не имеет чугунных гильз. В рабочих поверхностях цилиндров в алюминиевых блоках электролитическим путем создается повышенное содержание кремния, а затем цилиндры подвергаются химическому травлению для создания на рабочей поверхности цилиндров износостойкой пористой пленки чистого кремния, хорошо удерживающей смазку.

Рабочие поверхности цилиндров современных алюминиевых блоков двигателей могут иметь покрытие, наносимое плазменным напылением. Напыляемый на стенки цилиндра порошок подается через плазматрон. Газ, предназначенный для создания плазмы, проходит через распылитель и поджигается электродугой.

При этом температура газа повышается примерно до 11700°C и он переходит в плазменное состояние. Частицы порошка в расплавленном состоянии заполняют неровности поверхности цилиндра. При застывании частиц они надежно соединяются со стенками цилиндра.

После напыления, как и при традиционном исполнении цилиндров, производится хонингование, однако  этом случае риски вследствие хонингования не так глубоки. Возникает весьма ровная наружная поверхность с небольшими впадинами (микроуглублениями), в которых находится масло.

Каждое микроуглубление не связано с другими микроуглублениями, в отличие от хонингования чугунных гильз. Когда поршневое кольцо проходит над микроуглублением, в последнем создается давление, которое воздействует на поршневое кольцо.

В результате этого поршневое кольцо всплывает поверху масляной подушки, чем и обеспечивается гидродинамическая смазка. Благодаря этому потери на трение и износ существенно уменьшаются.

Рекомендуем:  Выбор ГБО на автомобиль: метан или пропан, что лучше?

Преимуществами данного способа изготовления цилиндров по сравнению с обычными являются:

• снижение массы по сравнению с конструкцией с вставными гильзами цилиндров
• уменьшение размеров двигателя по сравнению с  чугунным блоком цилиндров за счет сужения перемычек между цилиндрами
• увеличение срока службы цилиндров благодаря износостойкому покрытию, наносимому плазменным напылением

Рис. Схема нанесение покрытия на стенки цилиндра плазматроном: 1 – струя плазмы с напыляемым порошком; 2 – плазматрон; 3 – рабочая поверхность цилиндра

Из чего сделан блок цилиндров двигателя

Самый распространенный материал, который используется при производстве ‒ чугун. Это традиционный вариант. На втором месте алюминий. Вернее его различные сплавы. Ну и еще достаточно экзотический материал – магниевый сплав. Теперь обо всех трех вариантах – более подробно.

Чугун

Это – традиционный материал, из него на протяжении многих десятилетий изготавливали эту деталь.

Чугун использовали с добавками: никелем, хромом. Среди положительных качеств чугунного изделия можно выделить: меньшую чувствительность к перегреву, жесткость, которая очень важна при форсировке двигателя.

Устройство, в основном, работает при частой смене температурного режима, поэтому изделия из чугуна в приоритете. Главный недостаток – значительный вес, который ухудшает динамику легкового авто.

Алюминий

Обладает такими положительными свойствами, как оптимальное охлаждение двигателя и незначительный вес. Он находится на втором месте по количеству выпускаемых блоков цилиндров. Особенность конструкции из алюминия – установка гильз.

Сегодня для выполнения этой операции, в основном, применяют две технологии Locasil и Nicasil. В первом случае запрессовываются гильзы из алюминий-кремниевого сплава во втором – наносится никелевое покрытие. Вторая технология имеет существенный недостаток – если, к примеру, прогорает поршень, обрывается шатун или выходит из строя никелевое покрытие, то изделие отремонтировать не получится.

Рекомендуем:  Подключаем и отключаем аккумулятор самостоятельно

Также никосиловая технология не предусматривает расточку, приходится менять весь узел в сборе. Понятно, что в таком случае владельцу автомобиля приходится раскошелится на солидную сумму.

Магниевый сплав

Блок цилиндров двигателя из него твердый как чугунный, и легкий, как алюминиевый. Правда стоит такое изделие дорого, и по этой причине в условиях конвейерного производства не используется, хотя соединяет в себе лучшие качества чугуна и алюминия. Как видите, у каждого из упомянутых материалов есть определенные плюсы и минусы, но утверждать, что какой-то из них лучше, было бы некорректно.

Процесс литья блоков цилиндров

Литейные процессы	Песчаные формы	Стальные кокили с песчаными стержнями	Стальные кокили Стальные формы
Свободная заливка форм	X	X	X
Литьё под низким давлением	X	X	X
Литье под давлением	(X)	X
Прессование (Squeeze Casting)	X

В таблице помещён небольшой обзор применяемых для алюминиевого литья литейных процессов и соответствующих литейных форм. В нижеследующих подразделах описываются определённые литейные процессы, а также поясняются их преимущества и недостатки.

Литьё в песчаные формы

Литьё в песчаные формы является традиционной технологией литья в формы с разрушаемыми (теряемыми) песчаными формами. Формы, применяемые для одной единственной отливки, изготавливаются, в принципе, из кварцевого песка как основного материала формы с применением связующих средств. Изготовление форм производится копированием моделей из дерева, металла или пластмассы и позволяет получать отливки сложной формы путём разъёма и разделения модели и формы.

После застывания отливок песчаные формы разрушаются, а песчаные стержни, служащие для достижения недоступных и необрабатываемых полостей, вытряхиваются или вымываются. Обычно применяемое литьё в песчаные формы играет в серийном производстве второстепенную роль. область применения — изготовление прототипов и малых серий. Экономично литьё в песчаные формы в форме автоматизированного метода стержневого пакета (CPS = core package system).

Чистый процесс литья в песчаные формы (форма и стержни изготовлены из песка) производится методом свободной заливки форм или методом литья под низким давлением. На Изображении 1 показано литьё в песчаные формы методом свободной заливки форм.

Изображение 1

1. Разливочный ковш

2. Литник

3. Песчаная форма

Литьё в кокиль

При литье в кокиль жидкий алюминий разливается в долговременные металлические формы из чугуна или жароупорных сталей. При данном методе литья конструкция и свобода её конструирования зависят, однако, от того, производится ли отливка методом свободной заливки форм или методом литья под низким давлением. По сравнению с литьём в песчаные формы при литье в кокиль достигается лучшее качество поверхности и большая точность размеров отливок

Свободное литьё в кокиль

При свободном литье в кокиль заполнение формы происходит исключительно под влиянием действующей на металл силы тяжести при атмосферном давлении. Отливка производится вручную или на частично или полностью автоматизированных литейных машинах.

При данном методе существует достаточно большая свобода конструирования, поскольку возможно применение песчаных стержней (изобр. 3). Таким образом, реализуемы также разрезы сзади или полости, недостижимые механообработкой.

Благодаря быстрому, направленному застыванию расплава при методе свободного литья в кокиль по сравнению с литьём в песчаные формы достигается более тонкая структура, более высокая прочность, а также неограниченные возможности по работе с теплом.

Изображение 2

1. Разливочный ковш

2. Литник

3. Гидроцилиндр

4. Кокиль

5. Литниковая система

6. Песчаный стержень

Изображение 3

Литьё в кокиль под низким давлением

При литье под низким давлением расплав при относительно низком избыточном давлении (для алюминиевых сплавов — от 0,2 до 0,5 бар) поднимается в кокиль и при этом давлении застывает Речь идёт, — если речь идёт о давлении, — собственно, о давлении заполнения, необходимом для того, чтобы жидкий металл доставить в литейной машине наверх, в форму.

Давление заполнения поддерживается до тех пор, пока не произойдёт затвердевание, от самого удалённого места до среза сифонного литника (входное отверстие литейной формы). Тем самым почти идеально происходящее, направленное затвердевание и заполнение формы без турбулентности являются существенным основанием высокой ценности отливок под низким давлением.

Как и при свободном литье в кокиль, и при данном методе применимы стержни из песка, дающие в достаточной степени простор для конструирования формы.

1. Гидроцилиндр

2. Стальной кокиль

3. Сифонный литник

4. Литейная печь с расплавом

5. Подъёмный стол

6. Подъёмное приспособление

Изображение 1

Литьё под давлением

При литье под давлением расплав под высоким давлением и с большой скоростью впрыскивается в долговременные формы из улучшенной жаропрочной стали. Металл течёт под давлением в полости формы. В конце заполнения формы давление на жидкий металл возрастает до 700 — 1000 бар. Давление поддерживается в процессе затвердевания металла. Это позволяет получить самую точную передачу формы по сравнению с другими методами литья.

Тем самым достижимы узкие поля допусков размеров, резкость контуров и качество поверхности с малыми припусками на обработку. Благодаря высокому съёму продукции с квадратного метра площади речь идёт об очень экономичном методе литья. Этот метод имеет, однако, также определённые недостатки.

Так, увеличивающая прочность двойная термообработка, в общем, невозможна, поскольку заключённые в материале пузырьки воздуха или газовые поры, образующиеся из-за толчкообразного наполнения формы, при определённых условиях создадут трудности. Также следует назвать ещё имеющуюся в настоящее время ограниченную свободу конструирования, поскольку при литье под давлением не могут быть применены для литейных полостей никакие обычно применяемые песчаные стержни.

1. Разливочный ковш

2. Отверстие заполнения

3. Поршень прессования

4. Камера прессования

5. Гидроцилиндр

6. Стальная форма

Изображение 2

Прессование (Squeeze Casting)

Речь идёт, в принципе, о литье под давлением с несколько иными преимуществами и недостатками. Конструкция литейной машины, однако, отличается. Создание давления при прессовании происходит в конце процесса заполнения формы, который идёт значительно медленнее, чем при литье под давлением.

Расплав, в отличие от литья под давлением, выдавливается в форму не в течение нескольких миллисекунд; процесс литья длится значительно дольше, до нескольких секунд. Это особенно важно при заливке чувствительных заливаемых частей, таких, как, напр. Silizium Preforms (LOKASIL метод) или усиления волокном постели под подшипники.

Впрыск расплава, как это делается при литье под давлением, повредил или разрушил бы эти чувствительные части, сделав данную отливку негодной. Благодаря отсутствию турбулентности при заполнении формы прессованные части полностью термообрабатываемы для увеличения прочности.

1. Гидроцилиндр

2. Стальная форма

3. Разливочный ковш

4. Камера прессования

5. Поршень прессования

6. Гидроцилиндр

Изображение 3

Источник: https://focusello.ru/blok-cilindrov/litjo-blokov-tsilindrov.html

Алюминиевые блоки цилиндров: сплавы

Блок цилиндров является частью двигателя внутреннего сгорания, которая расположена между головкой цилиндров и картером. Он является опорной конструкцией для всего двигателя. Все части двигателя крепятся на блоке цилиндров или в нем самом, и он обеспечивает их соосность.

Рисунок – Алюминиевый блок цилиндров двигателя

Еще не так давно в двигателях большинства автомобилей, кроме спортивных, применяли монолитные чугунные блоки цилиндров.

От чугунного к алюминиевому блоку цилиндров

Алюминий, как конструкционный материал, конечно, менее прочный, чем чугун. Поэтому долго считалось, что алюминиевый блок цилиндров должен быть намного толще, чем чугунный. Однако оказалось, что хорошо сконструированный алюминиевый блок цилиндров может быть намного легче и почти таким же прочным как чугунный блок.

Обычно применение литейных алюминиевых сплавов вместо применяемого ранее серого чугуна дает снижение блока цилиндров на 40-55 %.

Несмотря на более высокую стоимость алюминиевых сплавов, по сравнению с серым чугуном, постоянное стремление к снижению потребления топлива приводит к постоянному росту доли алюминиевых блоков цилиндров.

Применение алюминиевых блоков цилиндров началось с бензиновых двигателей в конце 1970-х годов. Замена серого чугуна в дизельных двигателей тормозилась до середины 1990-х годов. К 2005 году доля на рынке алюминиевых блоков цилиндров двигателя достигла 50 %. В настоящее время блоки цилиндров практически всех бензиновых двигателей изготавливают из алюминиевых сплавов. Применение алюминиевых сплавов в дизельных двигателях также неуклонно растет.

Теплопроводность

Материал современные алюминиевые блоки цилиндров испытывает температуры до 150-200 °C. Высокая теплопроводность литейных алюминиевых сплавов (в три раза больше, чем у серого чугуна) обеспечивает эффективную передачу в систему охлаждения двигателя.

Прочность при повышенных температурах

Требуется сохранение заданной прочности при температурах до 200 °C. Самые большие напряжения возникают в местах болтовых соединений с головкой блока цилиндров. Материал должен выдерживать нагрузки от вращения коленчатого вала и термического расширения блока цилиндров.

Прочность и твердость при комнатной температуре

Материал алюминиевого сплава при комнатной температуре должен обладать достаточной прочностью и  твердостью, чтобы обеспечивать ему хорошую обработку резанием и высокое качество сборки.

Усталостная прочность

При работе двигателя блок цилиндров подвергается циклическим растягивающим напряжениям в широком интервале температуры. Этот интервал начинается с отрицательных температур зимой и заканчивается повышенными температурами около 150-200 ºС. Поэтому наиболее важной характеристикой материала блока цилиндров является усталостная прочность.

Известно, что свойства материала любой металлической отливки – и чугунной, и алюминиевой – зависят не только от химического состава материала и его термической обработки, но также от метода разливки, а также от того места отливки, из которого вырезается испытательный образец.

Выбор алюминиевого литейного сплава

Выбор алюминиевого литейного сплава для блока цилиндров требует учета различных факторов. Алюминиевые литейные сплавы, которые применяют в производстве таких сложных литых изделий как блоки цилиндров, должны соответствовать целой комбинации технических требований. Эти требования включают:

• низкую стоимость;
• хорошие литейные свойства;
• хорошую обрабатываемость резанием;
• достаточно высокая прочность при повышенных температурах.

Прочность

Уровень прочности сплава определяет, например, минимально допустимую толщину стенки. Поэтому выбор алюминиевого литейного сплава должен производиться уже на первом этапе проектирования блока цилиндров двигателя. Обычно выбор алюминиевого сплава является компромиссом. Высокопрочные литейные сплавы могли бы быть предпочтительным выбором, но часто у них могут быть такие недостатки, как высокая стоимость, низкие литейные свойства и недостаточная прочность при повышенных температурах.

Цена

Из соображений цены и по техническим причинам почти все автомобильные алюминиевые блоки цилиндров делают из сплавов, которые основаны на применении вторичного алюминия – алюминиевых сплавов, который получают из алюминиевого лома. Это, например, сплавы EN AC-46200 (AlSi8Cu3) и EN AC-45000 (AlSi6Cu4). При повышенных требованиях к вязкости материала применяют сплавы с более жесткими требованиями по примесям и загрязнениям, которые уже близки к требованиям для сплавов из первичного алюминия.

Литейные свойства

Литейные свойства алюминиевых сплавов обычно повышаются с повышением содержанием в них кремния. С другой стороны, добавки медь, которые нужны для повышения прочности при высокой температуре, оказывают отрицательное влияние на литейные свойства алюминиевых сплавов, в первую очередь, на текучесть сплава при заполнении литейной формы. Кроме того, когда применяется метод литья под высоким давлением, то применяют сплавы с некоторым содержанием железа, а также марганца, чтобы предотвратить налипание жидкого алюминия к стальной литейной форме. Однако повышенное содержание железа снижает прочностные свойства алюминиевой отливки.

Иногда наиболее важными при выборе литейного сплава являются не цена и литейные свойства, а некоторые другие его свойства, например, износостойкость.

Химический состав и термическая обработка

Литейные алюминиевые сплавы, которые применяют для изготовления блоков цилиндров автомобилей, обычно включают сплавы 46200 и 45000 по Европейскому стандарту EN 1706 (громоздкая приставка “EN AC-“ опущена). Химические «формулы» этих сплавов имеет соответственно вид AlSi8Cu3 и AlSi6Cu4. Их американскими аналогами – более известными – являются сплавы А380.2 и А319. Эти доэвтектические алюминиево-кремниевые сплавы обычно производят из вторичного алюминия. Из них отливают автомобильные блоки цилиндров различными методами гравитационного литья.

Таблица – Химический состав и состояния
алюминиевых литейных сплавов для блоков цилиндров

Относительно высокое содержание меди позволяет этим сплавам сохранять свою прочность при повышенных температурах и, кроме того, обеспечивает им хорошую обрабатываемость резанием. Обычно для этих сплавов – 46200 и 45000 (А380.2 и А319) – применяют состояния F (литое состояние), Т4 (закалка и естественное старение) и Т5 (неполная закалка и искусственное старение). Для отливок из этих сплавов может также применяться и состояние Т6, но для многих изделий из этих сплавов достаточно стабилизирующего состояния Т5.

Блоки цилиндров из алюминиевых сплавов 42100 (AlSi7Mg0,3) и 42000 (AlSi7Mg) получают высокую прочность и удлинение при комнатной температуре, когда подвергаются термической обработке на состояние Т6. В этом случае необходимо внимательно контролировать остаточные напряжения, которые возникают при закалке отливки для достижения состояния Т6.

Более высокое сопротивление растрескиванию этих сплавов дают им возможность противостоять термическим усталостным нагрузкам. Это происходит за счет определенного ухудшения обрабатываемости резанием и повышения стоимости из-за дополнительных расходов на термическую обработку на состояния Т6 или Т7.

Выполнение требования по пониженному содержанию примесей, таких как железо, марганец, медь и никель, также требует дополнительных расходов по сравнению со вторичными сплавами, которые упоминались выше.

Блоки цилиндров из заэвтектоидных алюминиево-кремниевых сплавов (AlSi17CuMg) обычно отливают методом литья при низком давлении с последующей термической обработкой на состояние Т6. Этот сплав также более дорогой, чем стандартные литейные сплавы из вторичного алюминия.

Втулки алюминиевых блоков цилиндров

Алюминиевые литейные сплавы, которые обычно применяют для изготовления блоков цилиндров, недостаточно твердые и износостойкие, чтобы непосредственно  работала в паре скольжения с поршнями двигателей. Для этой цели подходят только заэвтектоидные алюминиевые сплавы типа AlSi17CuMg.

Поэтому в алюминиевых блоках  цилиндров широко применяют чугунные втулки. Наиболее широко применяется метод установки чугунных втулок, при котором их вставляют в литейную форму блока цилиндра перед ее заливкой. Кроме того, чугунные втулки устанавливают также методом горячей запрессовки. Для создания  прочной и износостойкой поверхности скольжения блока цилиндров применяют также различные методы напыления – термические, плазменные, электродуговые и другие.

Source: European Aluminium Association, 2011

Источник: https://aluminium-guide.com/alyuminievye-bloki-cilindrov-splavy/