Материалы для изготовления блока цилиндра. Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей Прочность и твердость при комнатной температуре

(далее по тексту БЦ) крепятся все прочие детали, начиная от коленвала и заканчивая головкой. Изготавливают БЦ сейчас преимущественно из алюминия, а ранее, в более старых моделях авто, они были чугунными. Поломки блоков цилиндров - отнюдь не редкость. Поэтому начинающим автовладельцам будет интересно узнать о том, как ремонтировать данный узел. Давайте узнаем о типичных поломках, а также о способах и технологиях ремонта блока цилиндров двигателя. Эта информация будет интересна для каждого, кто владеет автомобилем.

Краткое устройство

Непосредственно внутри блока имеются сквозные отверстия со шлифованными стенками - внутри этих отверстий двигаются поршни. В нижней части БЦ сделана постель, на которой через подшипники закреплены концы коленвала. Там же сделана специальная поверхность для закрепления поддона.

На верхней части блока имеется тоже идеально ровная шлифованная поверхность. К ней при помощи болтов прикрепляется головка. То, что многие сегодня называют цилиндрами, образуется из блока и головки. Сбоку на БЦ имеются кронштейны для крепежа двигателя к кузову автомобиля.

Внутри цилиндра могут быть установлены гильзы. Они широко применяются в алюминиевых блоках. Каждая деталь, которая крепится к мотору, оснащена уплотнительными прокладками, которые не допускают возможные утечки двигателя. Благодаря данным элементам антифриз не смешивается с маслом и наоборот. Прокладки всегда должны быть целыми, иначе это плохо влияет на работу ДВС.

Типичные неисправности

Прежде чем заниматься темой ремонта блока цилиндров двигателя, необходимо ознакомиться с наиболее частыми неполадками данного узла. Какие-то неполадки можно устранить своими силами в гаражных условиях, для устранения других понадобится специальное оборудование.

В процессе работы двигателя в блоке цилиндров ДВС могут образоваться следующие виды дефектов. Это естественный износ стенок цилиндра, задиры и риски на стенках. Также нередко образуются трещины как цилиндров, так и водяной рубашки или ГБЦ. Подвергаются износу и клапанные седла. Также на них могут образоваться трещины или раковины. Ломаются шпильки, а также болты, крепящие к самому блоку.

Есть и менее серьезные проблемы - это накипь в рубашке системы охлаждения, а также нагар в ГБЦ. Из-за коррозионных процессов, работы блока в условиях повышенных температур, трения поршней и коленвала о стенки цилиндра они со временем приобретают эллипсность в плоскости, где качается шатун. Также образуется конусность по длине цилиндров.

Причины износа

Когда топливо сгорает в камере сгорания, газы попадают в канавки поршневых колец и сильно отжимают их к зеркалу цилиндра. Сила давления по мере того, как поршень движется вниз, становится меньше. Поэтому цилиндры изнашиваются в верхней части больше, чем в нижней. Что касается смазки, то в верхней части цилиндров она хуже из-за воздействия высоких температур. Сила, которая действует на поршень в двигателе при его рабочем ходе, делится на две важные составляющие.

Первая часть этой силы направлена вдоль шатунов. Вторая часть направлена перпендикулярно оси цилиндров. Она прижимает поршни к левой стороне стенки. Когда сжатие передается от коленвала к шатуну, то сила также разлагается на две части - одна работает вдоль шатунов и сжимает топливную смесь, а вторая жмет поршень к правой стенке цилиндров. Боковые силы работают также на тактах впуска и выпуска, однако в значительно меньшей мере.

В результате действия боковых сил цилиндры имеют износ в плоскости работы шатуна и получается овальность. Значительнее износ левой стенки, так как боковая сила при рабочих ходах поршней самая высокая.

Кроме образования овальности, воздействие боковых сил также вызывает конусность. По мере того как поршень движется вниз, воздействие боковых сил уменьшается.

Задиры на стенках цилиндра образуются из-за перегревов, масляного голодания, загрязненности масла, недостаточных зазоров между стенками цилиндра и поршнем, плохо закрепленных поршневых пальцев, по причинам поломки поршневых колец. То, насколько сильно изношен цилиндр, можно определить при помощи индикатора или нутромера.

Как правильно измерить износ?

Овальность или эллипсность нужно измерять в поясе, который расположен на 40-50 мм ниже от верхней части камеры сгорания. Измерять нужно в плоскостях, которые взаимно перпендикулярны. Износ будет минимальным по оси коленвала, а максимальным - в той плоскости, которая перпендикулярна оси коленвала. Если есть разница размеров, то это и будет величиной овальности.

Чтобы определить конусность, индикатор следует индикатор установить вдоль камеры сгорания. Плоскость выбирают перпендикулярной оси коленвала. Если в показаниях индикатора имеется разность размеров, то это и есть размер конусности. При этом нужно измерять нижнюю и верхнюю часть цилиндра. Индикатор опускают строго вертикально, чтобы он не отклонятся ни в одну из сторон.

Если размер эллипсности выше, чем допустимые 0,04 мм, а конусность более 0,06 мм, на стенках имеются задиры и риски, тогда необходим ремонт блока цилиндров двигателя.

Под ремонтом нужно понимать увеличение диаметра до ближайшего ремонтного размера, установку новых поршней и других сопутствующих элементов. В зависимости от того, насколько изношены цилиндры, их шлифуют, растачивают и затем доводят, устанавливают гильзы.

Шлифование БЦ

Эту операцию выполняют преимущественно на внутришлифовальных станках. Камень на этом оборудовании имеет значительно меньший диаметр, чем размер цилиндра. Камень может двигаться вокруг оси, по окружности цилиндра, а также вдоль оси камеры сгорания.

Процесс ремонта блока цилиндров двигателя, таким образом выполняемый, очень длительный и сложный, особенно если нужно снимать большой слой металла. Поверхность камеры сгорания становится волнистой и может забиваться пылью. Последняя проникает в поры в чугуне - после ремонта в дальнейшем это может вызывать интенсивный износ колец и поршней. Шлифовка цилиндров сейчас применяется крайне редко.

Растачивание

Ремонт чугунных блоков цилиндров двигателя может выполняться и таким образом. Используют расточные стационарные и мобильные станки. Мобильные вертикально-расточные агрегаты крепят в процессе непосредственно к блоку. При этом для обработки первого и третьего цилиндров станок закрепляют сверху болтами, которые пропускаются через второй цилиндр. Перед тем как окончательно закрепить станок, шпиндель его тщательно центрируется с помощью кулачков. Резец настраивают на необходимый размер при помощи микрометра или нутромера.

Минусом растачивания считается необходимость последующей доводки - на поверхности без доводки остаются следы работы режущего инструмента. Доводку при ремонте блока цилиндров дизельного двигателя, бензиновых агрегатов выполняют в специальных или сверлильных станках. В более простых случаях можно обойтись электродрелью и доводочной головкой с абразивными камнями. В процессе любой доводки обрабатываемый цилиндр обильно поливают керосином.

В конце обработки конусность, а также эллипсность не должны быть более 0,02 мм. Алмазное растачивание выполняют твердосплавными резцами на малых подачах и больших скоростях. Лучше работать на специальных расточных станках.

Гильзование

Такая технология ремонта блока цилиндров двигателя выбирается, когда износ цилиндра больше, чем последний ремонтный размер. Также гильзование выбирают, если на поверхности имеются очень глубокие задиры и риски.

Цилиндр необходимо расточить до такого диаметра, который позволит установить гильзу с толщиной стенок до 2-3 мм после растачивания. В верхней части камеры сгорания нужно сделать специальную выточку под буртик для гильзы.

Гильзу изготавливают из материалов, которые близки по свойствам к материалу цилиндров. Наружный диаметр должен иметь припуск под запрессовку. Гильзу, а также стенки цилиндра смазывают маслом и гидравлическим прессом запрессовывают. Если пресса нет, гильзы можно установить при помощи ручного приспособления.

Ремонт седел клапанов

Наряду с БЦ может понадобиться и ремонт головки блока цилиндров двигателя. Если износ седел клапанов небольшой, то это можно устранить простой притиркой клапана к седлу. Если износ значительный, тогда седло фрезеруется конусной фрезой. Первым делом обрабатывают фрезой черновой с углом 45 градусов. Далее выбирают фрезу с углом 75 градусов. После берут деталь углом в 15 градусов. Затем можно обрабатывать седло чистовой фрезой.

Фрезеровка будет эффективная только тогда, если направляющие клапанов имеют минимальный износ или вообще новые.

В процессе ремонта блока цилиндров 406 двигателя после фрезеровки седло шлифуется конусными камнями дрелью и притирается клапан. Если износ седел большой, то гнездо нужно расточить на станке торцевыми фрезами и запрессовать туда чугунное кольцо, которое затем нужно обработать в вышеописанной последовательности.

Если есть возможность замены сменного седла, то для облегчения ремонта головки блока цилиндров 406 двигателя просто меняют старое седло на новое.

Ремонт втулок клапанов

Если изношены направляющие втулки клапанов, тогда их можно восстановить развертыванием длинной разверткой под ремонтный размер. Если износ втулки значительный, то их следует удалять под прессом и менять на новые. При запрессовывании новых втулок натяг должен быть 0,03 м. Затем диаметр втулки развертывают под номинальный размер.

Ремонт направляющих толкателей

Эти элементы, изготовленные в блоке в отдельных частях в процессе ремонта головки блока цилиндров 402 двигателя, обрабатываются развертыванием под ремонтные размеры стержня толкателя или посредством замены стержней толкателей.

Заключение

Как видно, выполнить капитальный ремонт двигателя без специальных станков и специального инструмента нельзя. Но если повреждения незначительные, особо отчаянные мастера растачивают цилиндры обыкновенной электрической дрелью с наждачной бумагой. На самом деле страшного в капитальных ремонтах ничего нет - в большинстве случае цены на расточку и другие операции невысоки. Ремонт головки блока цилиндров дизельного двигателя можно выполнить в гараже своими руками по аналогии с бензиновыми ГБЦ.

Так как в нем размещаются все важнейшие узлы и агрегаты двигателя. Именно на эту деталь приходится большая часть нагрузок (до 50 процентов). Поэтому блок цилиндров (ВАЗ 2114 в том числе) должен изготавливаться из максимально прочной и износостойкой стали, на специальных высокоточных станках.

Функции

Данный механизм выполняет сразу несколько функций: является основой для навесных частей мотора (ГБЦ, картер и т.д.), а также служит корпусом для размещения всех деталей двигателя.

Материал

Большая часть современных автомобилей укомплектовывается чугунными блоками цилиндров. Чугун разбавляется никелевыми и хромовыми добавками, благодаря чему становится прочным и износостойким. Основными преимуществами данного материала являются его стойкость к перегреву и жесткость, которая нужна при высокой степени Единственным недостатком чугунного блока является его тяжелый вес, за счет которого существенно ухудшается динамика автомобиля. Чтобы разогнать машину до нужной скорости, двигателю приходится вырабатывать больше мощности, а это, в свою очередь, влечет повышенный Но, как правило, автомобиль теряет не более 1-2 процентов от общего количества потребляемого топлива.

Алюминий является менее популярным материалом для изготовления данных изделий. Ярким примером применения алюминиевых блоков являются отечественные ГАЗели и некоторые модели Жигулей. Основные преимущества данного материала заключаются в его легком весе и лучших свойствах охлаждения. Однако вместе с этим автолюбители отмечают проблему с поиском необходимого материала, из которого изготавливается цилиндр.

Устройство механизма

Конструкция предполагает размещение следующих деталей:

• цилиндры двигателя;
• картер.

А теперь более подробно об этих устройствах. Цилиндры двигателя включают в свой состав специальные гильзы, которые могут впрессовываться непосредственно в блок цилиндров (чаще всего в алюминиевых устройствах) либо быть съемными (в случае с чугунным механизмом). В свою очередь, съемные инструменты подразделяются на «сухие» и «мокрые».

ГБЦ представляет собой комплекс деталей, которые располагаются в верхней части устройства. В входит рубашка охлаждения, каналы смазки, а также отверстия для свечей (если это бензиновый) и форсунок (если это дизельный двигатель). Также в ГБЦ есть отверстия впускного и выпускного клапана. Между головкой и самим блоком есть небольшой соединительный зазор, в котором размещается При несвоевременной ее замене мотор начинает терять свою мощность и тягу, при этом повышается риск выхода из строя других деталей.

Картер - это основная комплектующая часть такой детали, как блок цилиндров. Она представляет собой корпус для КШМ. Снизу картер закрепляется специальным поддоном. Относительно блока двигателя внутреннего сгорания располагается в нижней части.

Блок цилиндров - основная деталь корпуса двигателя внутреннего сгорания. Блок цилиндров служит опорой для подвижных частей кривошипно-шатунного механизма; к нему прикреплены некоторые навесные агрегаты, такие как стартер, генератор и так далее.

Популярный блок цилиндров V6 впервые использовал в своем автомобиле немецкий изобретатель Готлиб Даймлер

Блок цилиндров самая крупная корпусная деталь любого двигателя с двумя и более цилиндрами. Поскольку блок должен быть долговечным и крепким, его отливают из металла целиком. Как правило, при этом используется чугун или алюминий. Цилиндры чугунного блока представляют собой расточенные в толще металла отверстия, а в алюминиевых блоках для укрепления стенок в них . В цилиндрах перемещаются поршни, передающие энергию расширяющихся после сгорания топлива газов на коленчатый вал, преобразующий эту энергию во вращательное движение.

История создания блока цилиндров

Появившись в конце девятнадцатого века, блок цилиндров прошел длительную эволюцию, прежде чем остаться в том виде, в котором он применяется в конструкции подавляющего большинства современных моторов.

Для того, чтобы поставить шестицилиндровый двигатель под капот маленького VW Golf, компания Фольксваген вспомнила непопулярную конструкцию блока цилиндров VR6

История появления первого рядного блока цилиндров связана с немецким изобретателем Николаусом Августом Отто, который 1876 году изобрел самый эффективный для своего времени

Блок в V-образном исполнении изобрел в 1889 для постройки усовершенствованного четырехтактного двухцилиндрового двигателя.

Конструкция блока цилиндров двигателя

Блоки цилиндров имеют различные конструкции и конфигурацию разной степени сложности. Блок может быть рядным, с последовательным расположением цилиндров, V-образным с разным углом развала цилиндров или даже состоящим из двух V-образных блоков, как например у Bugatti Veyron EB 16.4. Существуют конструкции блоков с углом развала цилиндров в 180 градусов, для так называемых оппозитных двигателей, таких, как у Subaru.

Cуществуют . В них цилиндры расположены в шахматном порядке, последовательно, но в то же время с наклоном в одну из двух сторон, как у V-образного мотора. Такой синтез двух разновидностей в одном блоке позволяет улучшить его охлаждение и поднять мощность при небольшом объеме. Такая технология используется в современных двигателях компания Volkswagen. Многие владельцы автомобилей Passat, Corrado, Golf, Vento, Jetta, Sharan даже не догадываются, что у них VR-образный двигатель, так как блок прикрыт общей головкой и скомпонован так, что наклон цилиндров не бросается в глаза.

Чем больше цилиндров в блоке - тем больше вес мотора. Поэтому количество цилиндров двигателя - ограниченная величина

При отливке в блоке цилиндров предусматривают каналы для циркуляции охлаждающей жидкости и подачи масла. Сверху на блок цилиндров крепится головка блока, снизу присоединяется поддон картера. Помимо этого блок цилиндров служит основой для подсоединения КПП и всего навесного оборудования: генератора, стартера, карбюратора, и прочего.

Описанная конструкция двигателя с отдельными блоком и головкой результат длительной эволюции. Ранее блоку отводилось больше функций и то, что сегодня находится в головке блока, было расположено в нем самом. В относительно недавно выпускавшихся двигателях в блоке располагался распределительный вал, а в более ранних конструкциях там же находился и клапанный механизмам. Головка блока цилиндров в так называемых выполняла простую роль крышки с отверстиями для свечей зажигания.

Возможное количество цилиндров в блоке

Количество цилиндров это очень важный показатель двигателя и . Конструктивно увеличение количества цилиндров обсусловлено желанием инженеров увеличить мощность двигателя.

Если поднимать мощность двигателя, не увеличивая количество цилиндров, то необходимо увеличивать диаметр поршней, и делать более массивным блок цилиндров двигателя, что ведет к увеличению массы автомобиля и росту расхода топлива. Получается, что, увеличивая мощность двигателя, мы получаем проигрыш в массе, а значит, в динамике, и нужно снова увеличивать мощность. Это типичный замкнутый круг.

Картер блока цилиндров "Запорожца" выполнен из дорогостоящего авиационного алюминиевого сплава

Инженеры задачу увеличения мощности решили с помощью увеличения количества цилиндров в блоке двигателя. Поршни при этом уменьшают в диаметре, что снижает потери от трения, а значит, мощность двигателя растет.

Материал для блока цилиндров

На сегодняшний день изготавливают чугунные, алюминиевые и магниевые блоки цилиндров с добавлением различных сплавов.

Выбор материала обусловлен присущими ему свойствами. Например, блок из чугуна самый прочный, более пригоден для форсирования, и менее других чувствителен к перегреву.

Блоки из магниевого сплава сочетают в себе твердость чугуна и легкость алюминия, но так как магний редок и дорог, он применяется в основном для автоспорта. Как ни удивительно, из авиационного магниевого сплава МЛ-5 был выполнен , на который ставились чугунные или алюминиевые цилиндры.

Блоки из алюминия отличаются малым весом и хорошей способностью к охлаждению, но требуют усиления стенок цилиндров. Если в алюминиевый цилиндр вставить поршня из стали или чугуна, стенки очень быстро износятся. Применить алюминий для изготовления поршней также нельзя, так как они сразу же прикипят к зеркалу цилиндра, и двигатель заклинит.

Блоки цилиндров некоторых моделей BMW не поддаются капремонту, потому что внутренние стенки цилиндров покрыты невозобновляемым составом - Никасилом

По этим причинам алюминиевые блоки на первом этапе их применения оснащали из серого чугуна. Однако слабо закрепленные «мокрые» гильзы из чугуна быстро разбивали алюминиевый блок, поэтому он плохо переносил форсировку и был чувствителен к перегреву.

На смену «мокрым» гильзам пришли тонкостенные «сухие» гильзы. Подобная технология предусматривает запрессовку тонкостенных чугунных или композитных гильз в тело блока, где они сидят «как влитые».

Альтернативные решения

Существует и несколько альтернативных решений упрочнения стенок цилиндров с применением новейших технологий. Это метод нанесения кристаллов кремния на внутреннюю поверхность цилиндра или, к примеру, применение готовых алюминий-кремниевых гильз по технологии Locasil фирмы Kolbenschmidt.

Еще одна технология, предусматривает нанесение на алюминиевые стенки цилиндра никелевого покрытия с напылением кристаллов карбида кремния. Технология в основном применялась в двигателях дорогих спортивных автомобилей, в частности, болидов Формулы-1, не подлежащих многоразовому капитальному ремонту.

У алюминиевых блоков цилиндров различные концепции и способы изготовления конкурируют друг с другом. При определении параметров блоков

цилиндров соответствующие технические и экономические преимущества и недостатки должны тщательно взвешиваться друг относительно друга.

Нижеследующие главы дают обзор различных видов конструкций блоков цилиндров.

Монолитные блоки

Под монолитными блоками понимаются конструкции блоков цилиндров, которые не имеют ни мокрых гильз, ни привёрнутых основных плит в форме корпуса коренных подшипников - опорной плиты (Bedplate) (изобр. 1). Для получения определённых поверхностей или прочности монолитные блоки могут иметь, однако, соответствующие заливаемые части в зоне отверстий цилиндров (вставки из серого чугуна, LOKASIL®-Preforms), а также заливаемые части из серого или ковкого чугуна и усиления волокном в зоне отверстий под коренные подшипники. Последние, однако, не отражают ещё состояния техники.

Блоки из двух частей (с опорной плитой)

У данной конструкции крышки коренных подшипников коленчатого вала размещены совместно в отдельной опорной плите (изобр. 2). Опорная плита соединена резьбовыми соединениями с картером и усилена залитым в алюминий шаровидным графитом с целью уменьшения люфта в коренных подшипниках, соответственно, чтобы компенсировать большее удельное температурное расширение алюминия. Таким путём достигаются чрезвычайно жёсткие конструкции блоков цилиндров. Как и у монолитных блоков цилиндров, здесь в зоне отверстий цилиндров могут также быть предусмотрены заливаемые части.

Изображение 2 Audi V8

Конструкция "Open-Deck" с отдельными, свободно стоящими цилиндрами

У данной конструкции рубашка охлаждения открыта к плоскости разъёма головки блока цилиндров, и цилиндры стоят свободно в блоке цилиндров (изобр. 3). Перенос тепла от цилиндров к охлаждающему веществу, благодаря омыванию со всех сторон, равномерный и выгодный. Относительно большое расстояние между цилиндрами влияет, однако, у многоцилиндровых двигателей отрицательно на их конструктивную длину. Благодаря открытой кверху, относительно просто сконструированной полости для охлаждающего вещества, при изготовлении можно отказаться от применения песчаных стержней. Поэтому блоки цилиндров могут изготавливаться как методом литья под низким давлением, так и литьём под давлением.

Конструкция "Open-Deck" с вместе отлитыми цилиндрами

Логическим выводом для уменьшения конструктивной длины блоков цилиндров со свободно стоящими цилиндрами является уменьшение расстояния между цилиндрами. Из-за сдвигания цилиндров они должны быть, однако, исполнены в совместной отливке (изобр. 4). Это положительно влияет не только на конструктивную длину двигателей, но при этом увеличивается и жёсткость в верхней части цилиндров. Таким путём, можно, напр., у шестицилиндрового рядного двигателя сэкономить 60-70 мм на конструктивной длине. Перемычка между цилиндрами может быть при этом уменьшена на 7-9 мм. Данные преимущества перевешивают тот недостаток, что при охлаждении рубашка охлаждения между цилиндрами получается меньше.

Изображение 4 Volvo 5 Zyl. (Diesel)

Конструкция "Closed-Deck"

При данной концепции блока цилиндров, в противоположность конструкции "Open-Deck", верх цилиндров до отверстий для входа воды со стороны головки блока цилиндров закрыт (изобр. 1). Это влияет особенно положительно на уплотнение головки блока цилиндров. Преимущества данной конструкции имеются, в особенности, и тогда, если существующий блок цилиндров из серого чугуна должен быть переведён в алюминий. Из-за сравнимой конструкции (уплотняемая поверхность головки блока цилиндров) головка блока цилиндров и уплотнение головки блока цилиндров не должны претерпеть никаких изменений, соотв., только незначительные.

По отношению к конструкции "OpenDeck" исполнение "Closed-Deck", естественно, труднее изготовить. Причиной является закрытая рубашка охлаждения и из-за этого необходимый песчаный стержень рубашки охлаждения. Также выдерживание узких полей допусков толщины стенок цилиндров усложняется при применении песчаных стержней. Блоки цилиндров "ClosedDeck" могут изготавливаться как методом свободного литья в формы, так и методом литья под низким давлением.

По причине соместно отливаемых цилиндров и возникающей благодаря этому более высокой жёсткости в верхней части цилиндров данная конструкция имеет, по сравнению с конструкцией "Open-Deck", большие резервы нагрузки.

Изображение 1 Mercedes 4 Zyl. (ряд)

Алюминиевые блоки цилиндров с мокрыми гильзами

Данные блоки цилиндров изготавливаются большей частью литьём из более дешёвого алюминиевого сплава и оснащаются мокрыми гильзами цилиндров из серого чугуна. Предпосылкой применения данной концепции является овладение конструкцией "Open-Deck" со связанной с ней проблематикой уплотнения. При этом речь идёт о конструкции, которая больше не применяется при серийном изготовлении двигателей легковых автомобилей. Типичным представителем производства KS был V6- блок PRV (Peugeot/Renault/Volvo) двигателя (изобр. 2).

Такие блоки цилиндров применяются в настоящее время только в спортивном и гоночном двигателестроении, где проблема затрат отступает, скорее, на второй план. Там применяются, однако, гильзы не из серого чугуна, а высокопрочные мокрые алюминиевые гильзы с рабочими поверхностями цилиндров, покрытыми никелем.

Изображение 2 PRV V6

Исполнения рубашки охлаждения

При переходе от блоков цилиндров из серого чугуна к блокам из алюминия стремились ранее к тем же конструктивным размерам при исполнении из алюминия, которые уже существовали в исполнении из серого чугуна. По этой причине глубина рубашки охлаждения (размер "X"), окружающей цилиндр, соответствовала у первых алюминиевых блоков вначале только до 95% длины отверстий цилиндров (изобр. 3).

Благодаря хорошей теплопроводности алюминия как рабочего материала глубина рубашки охлаждения (размер "X") смог быть выгодно уменьшен до величины от 35 до 65 % (изобр. 4). Благодаря этому был уменьшен не только объём воды, и, тем самым, вес двигателя, но и также был достигнут более быстрый нагрев воды для охлаждения. Благодаря укороченному, сберегающему мотор времени нагрева сокращается также время нагрева катализатора, что особенно благоприятно влияет на выделение вредных веществ.

В производственно-техническом отношении уменьшенные глубины рубашки охлаждения также принесли преимущества. Чем короче стальные литейные стержни для рубашки охлаждения, тем меньше тепла воспринимают они в процессе литья. Это сказывается как в большей стойкости формы, так и в увеличении производительности, благодаря уменьшению такта выпуска.

Изображение 3

Изображение 4

Болтовое соединение головки блока цилиндров

1. Усилие болта болтов крепления головки блока цилиндров /2. Уплотняющее усилие между головкой блока цилиндров и её уплотнением / 3. Деформация цилиндра (представлено очень утрированно) / 4. Находящаяся вверху резьба болта /5. Глубоко лежащая резьба болта

Для того, чтобы деформацию цилиндра при монтаже головки блока цилиндров поддерживать по возможности малой, бобышки под болты - утолщения для резьбовых отверстий болтов крепления головки блока цилиндров - связаны с наружной стенкой цилиндра. Прямой контакт со стенкой цилиндра вызвал бы несравненно большие деформации при затяжке болтов. Дальнейшие улучшения даёт также глубоко лежащая резьба. На изображениях 1 и 2 показаны различия деформаций цилиндров, получающиеся при находящейся вверху и глубоко лежащей резьбе болта.

Дальнейшие возможности - в применении заливаемых стальных гаек вместо обычных резьбовых отверстий, с целью избежать проблем перекоса и прочности (особенно у дизельных двигателей прямого впрыска). У некоторых конструкций применяются длинные стяжные болты,практически провёрнутые через плиту блока цилиндров (изобр. 3) или прямо соединённые с опорой подшипников (изобр. 4).

1. Подкладная шайба

2. Болт крепления головки блока цилиндров

3. Стальная резьбовая вставка

4. Стяжной болт

5. Крышка коренных подшипников

Изображение 3

Изображение 4

1. Подкладная шайба

2. Стяжной болт

3. Опора подшипников

4. Крышка коренных подшипников

Монтажные отверстия поршневого пальца в стенке цилиндра

У оппозитных двигателей возникают, в силу их конструктивных особенностей, при монтаже проблемы сборки поршневых пальцев одного ряда цилиндров. Причиной этого является то, что обе половины картера должны быть соединены болтами для того, чтобы смонтировать поршни второго ряда цилиндров, соотв., соединить шатуны с соответствующими шатунными шейками. Поскольку после соединения болтами обеих половин картера не будет больше доступа к коленчатому валу, шатуны без поршней приворачиваются к соответствующим шатунным шейкам, а поршни монтируются после соединения болтами обеих половин картера. Недостающие ещё поршневые пальцы вдвигаются после этого через поперечные отверстия в нижней части цилиндра (изобр. 5) для соединения поршней с шатунами. Монтажные отверстия пересекают рабочие поверхности цилиндров в зоне, которую не проходят поршневые кольца.

Вентиляционные отверстия картера

Изображение 1

Изображение 2

Более новые картеры снабжаются вентиляционными отверстиями поверх коленчатого вала и под цилиндрами (изобр. 1 и 2).

Вентиляции в зоне кривошипов при вытянутых вниз боковых стенках и связанных с ними элементами жёсткости коренных подшипников препятствуется. Благодаря вентиляционным отверстиям вытесненный воздух, который при движении поршня от верхней мёртвой точки в направлении нижней мёртвой точки находится под поршнем, может уйти в сторону и, тем самым, вытесняется туда, где поршень как раз движется в направлении верхней мёртвой точки. Тем самым воздухообмен осуществляется быстрее и эффективнее, поскольку воздуху больше не нужно проходить длинного пути вокруг коленчатого вала. Благодаря уменьшившемуся сопротивлению воздуха достигается, кроме того, значительное увеличение мощности. В зависимости от расстояния цилиндров до коленчатого вала, вентиляционные отверстия находятся либо в зоне прилегания коренных подшипников ниже рабочих поверхностей цилиндров, либо в зоне рабочих поверхностей цилиндров или где-либо между данными зонами.

Блок-картер является одной из самых тяжелых деталей всего автомобиля и занимает самое критичное место для динамики движения: место над передней осью. Поэтому именно здесь делаются попытки полностью использовать потенциал для уменьшения массы. Серый чугун, который в течение десятилетий использовался в качестве материала для блок-картера, все больше и больше заменяется как в бензиновых, так и в дизельных двигателях алюминиевыми сплавами. Это позволяет получить значительное снижение массы.

Серый чугун

Чугун - это сплав железа с содержанием углерода более 2 % и кремния более 1,5 %. В сером чугуне избыточный углерод содержится в форме графита. Для блок-картеров дизельных двигателей использовался и используется чугун с пластинчатым графитом, который получил свое название по расположению находящегося в нем графита. Другие составляющие сплава - это марганец, сера и фосфор в очень маленьких количествах.

Чугун с самого начала предлагался как материал для блок-картеров серийных двигателей, т. к. этот материал не дорог, просто обрабатывается и обладает необходимыми свойствами. Легкие сплавы долго не могли удовлетворить этим требованиям. Автопроизводители используют для своих двигателей чугун с пластинчатым графитом вследствие его особенно благоприятных свойств, а именно:

Хорошая теплопроводность;

Хорошие прочностные свойства;

Простая механообработка;

Хорошие литейные свойства;

Очень хорошее демпфирование.

Выдающееся демпфирование - это одно из отличительных свойств чугуна с пластинчатым графитом. Оно означает способность воспринимать колебания и гасить их за счет внутреннего трения. Благодаря этому, значительно улучшаются вибрационные и акустические характеристики двигателя.

Хорошие свойства, прочность и простая обработка делают блок-картер из серого чугуна и сегодня конкурентоспособным. Благодаря высокой прочности, бензиновые двигатели и дизельные двигатели и сегодня делаются с блок-картерами из серого чугуна. Возрастающие требования к массе двигателя на легковом автомобиле в будущем смогут удовлетворить только легкие сплавы.

Алюминиевые сплавы

Блок-картеры из алюминиевых сплавов пока еще относительно новые и используются только для дизельных двигателей.

Плотность алюминиевых сплавов составляет примерно треть по сравнению с серым чугуном. Но преимущество в массе имеет такое же соотношение, т. к. вследствие меньшей прочности такой блок-картер приходится делать массивнее. Другие свойства алюминиевых сплавов:

Хорошая теплопроводность;

Простая механообработка.

Чистый алюминий не пригоден для литья блок-картера, т. к. имеет недостаточно хорошие прочностные свойства. В отличие от серого чугуна основные легирующие компоненты добавляются здесь в относительно больших количествах.

Сплавы делятся на четыре группы, в зависимости от преобладающей легирующей добавки. Эти добавки:

Кремний (Si);

Медь (Си);

Магний (Мд);

Для алюминиевых блок-картеров двигателей используются исключительно сплавы AlSi. Они улучшаются небольшими добавками меди или магния.

Кремний оказывает положительное воздействие на прочность сплава. Если составляющая больше 12 %, то специальной обработкой можно получить очень высокую твердость поверхности, хотя резание при этом осложнится. В районе 12 % имеют место выдающиеся литейные свойства.

Добавка меди (2-4 %) может улучшить литейные свойства сплава, если содержание кремния меньше 12 %.

Небольшая добавка магния (0,2-0,5 %) существенно увеличивает значения прочности.

Для бензиновых и дизельных двигателей используют алюминиевый сплав AISi7MgCuO,5. Как видно из обозначения AISi7MgCuO,5, этот сплав содержит 7 % кремния и 0,5 % меди.

Он отличается высокой динамической прочностью. Другими положительными свойствами являются хорошие литейные свойства и пластичность. Правда, он не позволяет достичь достаточно износостойкой поверхности, которая необходима для зеркала цилиндра. Поэтому блок картеры из AISI7MgCuO,5 придется выполнять с гильзами цилиндров.

Прогрессивные исследователи задумываются об использовании еще более легкого материала - магниевого сплава. Были созданы прототипы двигателей, в которых металлические гильзы цилиндров устанавливались в легковесные пластиковые блоки, хотя эти двигатели оказывались ужасно шумными.

Таким образом, для алюминиевого блока-картера двигателя необходимо использовать исключительно сплавы AlSi, а именно АЛ4. Они улучшаются небольшими добавками меди или магния. Кремний оказывает положительное воздействие на прочность сплава. Если составляющая больше 12 %, то специальной обработкой можно получить очень высокую твердость поверхности, хотя резание при этом осложнится. В районе 12 % имеют место выдающиеся литейные свойства.

Добавка меди (2-4 %) может улучшить литейные свойства сплава, если содержание кремния меньше 12 %. Небольшая добавка магния (0,2-0,5 %) существенно увеличивает значения динамической прочности. Другими положительными свойствами являются хорошие литейные свойства и пластичность. Правда, он не позволяет достичь достаточно износостойкой поверхности, которая необходима для зеркала цилиндра. Поэтому блок картеры из АЛ4 придется выполнять с гильзами цилиндров.

Анализ материалов

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. Плотность алюминиевых сплавов составляет примерно треть по сравнению с серым чугуном. Но преимущество в массе имеет такое же соотношение, т. к. вследствие меньшей прочности такой блок-картер приходится делать массивнее. Другие свойства алюминиевых сплавов:

Хорошая теплопроводность;

Хорошая химическая стойкость;

Неплохие прочностные свойства;

Простая механообработка.

Механические свойства приведены в таблице 1:

Таблица 1 - механические свойства материалов

Sв - Предел кратковременной прочности, МПа

ST - Предел пропорциональности, МПа

HB - Твердость по Бринеллю, МПа

Вывод: в данной главе проведен анализ материалов, из которых изготавливается блок цилиндров. Блок цилиндров двигателя Камаз-740 изготавливается из чугуна, так как чугун 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.