Блок цилиндров

Блок цилиндров — это основная корпусная деталь двигателя внутреннего сгорания (ДВС), представляющая собой монолитную отливку, в которой размещаются цилиндры, а также, в большинстве случаев, элементы кривошипно-шатунного механизма, газораспределительного механизма и системы смазки. Блок цилиндров является базой для крепления всех остальных узлов и агрегатов двигателя: головки блока цилиндров (ГБЦ), коленчатого вала, поршней, маховика, масляного картера и навесного оборудования.

История

Первые двигатели внутреннего сгорания конца XIX века (например, двигатели Ленуара и Отто) имели отдельные, не связанные в единую конструкцию цилиндры, закреплённые на общей раме. С развитием технологии литья и повышением требований к жёсткости и компактности конструкции, к началу XX века получили распространение блоки, объединяющие несколько цилиндров в одной отливке. Одним из первых массовых двигателей с монолитным блоком цилиндров стал рядный четырёхцилиндровый мотор, выпускавшийся компанией Ford Motor Company для модели T (1908 год).

В 1930-е годы, с появлением двигателей V-образной конфигурации, блоки цилиндров стали изготавливаться с двумя рядами цилиндров, расположенными под углом друг к другу. В середине XX века, с распространением алюминиевых сплавов, началось внедрение блоков с «мокрыми» и «сухими» гильзами цилиндров, что позволило снизить массу двигателей и улучшить их ремонтопригодность.

Конструкция и материалы

Материалы

Основными материалами для изготовления блоков цилиндров являются:

• Чугун (серый или высокопрочный): традиционный материал, обеспечивающий высокую жёсткость, износостойкость и хорошую вибро- и шумоизоляцию. Чугунные блоки тяжелее алюминиевых, но менее подвержены деформации при высоких тепловых нагрузках. Широко применяются в грузовых автомобилях, тракторах и мощных двигателях.
• Алюминиевые сплавы: более лёгкие (на 30–40 % легче чугунных), что позволяет снизить общую массу двигателя и автомобиля. Для обеспечения износостойкости рабочей поверхности цилиндров в алюминиевые блоки часто запрессовывают чугунные или стальные гильзы. В современных двигателях также применяется технология нанесения износостойкого покрытия (например, плазменного напыления) непосредственно на алюминиевую стенку цилиндра (технология, используемая, в частности, компаниями BMW (организация признана нежелательной в РФ) и Nissan).
• Магниевые сплавы: используются редко, в основном в высокофорсированных спортивных двигателях и мотоциклах, из-за высокой стоимости и сложности обработки.

Типы конструкции по расположению гильз

• Блок с «мокрыми» гильзами: гильзы цилиндров непосредственно контактируют с охлаждающей жидкостью, что обеспечивает эффективный отвод тепла. Такая конструкция упрощает замену гильз при износе, но требует высокой точности изготовления и герметизации.
• Блок с «сухими» гильзами: гильзы запрессованы в тело блока и не контактируют с охлаждающей жидкостью. Такая конструкция более жёсткая, но ремонтопригодность ниже.
• Блок без гильз (моноблок): рабочая поверхность цилиндров выполнена непосредственно в материале блока. Характерно для чугунных блоков и некоторых алюминиевых с особым покрытием.

Классификация

Блоки цилиндров классифицируются по нескольким признакам:

По расположению цилиндров

• Рядные (R или L): цилиндры расположены в один ряд. Наиболее распространённая конфигурация для 4-цилиндровых двигателей. Для 6-цилиндровых рядных двигателей характерна большая длина блока.
• V-образные (V): цилиндры расположены в два ряда под углом (обычно 60° или 90°). Позволяет получить компактный двигатель с большим числом цилиндров (V6, V8, V12).
• Оппозитные (B): цилиндры расположены горизонтально напротив друг друга (угол развала 180°). Обеспечивают низкий центр тяжести и хорошую балансировку. Используются, например, в двигателях Subaru и Porsche.
• W-образные (W): четыре ряда цилиндров, образующие компактную конструкцию. Встречаются в двигателях Volkswagen (W8, W12) и Bugatti (W16).
• Звездообразные (радиальные): цилиндры расположены вокруг коленчатого вала. Использовались в авиационных поршневых двигателях.

По способу охлаждения

• С жидкостным охлаждением: блок имеет рубашку охлаждения — полости, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Наиболее распространённый тип.
• С воздушным охлаждением: блок имеет развитое оребрение для отвода тепла потоком воздуха. Используется в двигателях мотоциклов, газонокосилок, некоторых автомобилях (например, Volkswagen Beetle, Porsche 911 ранних поколений, «Запорожец»).

Устройство и основные элементы

Типовой блок цилиндров жидкостного охлаждения включает:

• Цилиндры: направляющие для поршней. Внутренняя поверхность (зеркало цилиндра) подвергается хонингованию для обеспечения масляной плёнки.
• Рубашка охлаждения: полости между стенками цилиндров и внешней стенкой блока, заполняемые охлаждающей жидкостью.
• Постели коренных подшипников: опоры для коленчатого вала. Обрабатываются совместно с крышками подшипников для обеспечения точной геометрии.
• Каналы масляной магистрали: сверления в теле блока для подачи масла к подшипникам коленчатого и распределительного валов, а также к другим трущимся деталям.
• Плоскость под головку блока: верхняя обработанная поверхность, к которой крепится ГБЦ. Требует высокой плоскостности для обеспечения герметичности стыка.
• Отверстия под гильзы (при наличии): расточки для установки сменных гильз.
• Элементы крепления: резьбовые отверстия для шпилек или болтов ГБЦ, фланцы для крепления масляного картера, передней крышки, кронштейнов навесного оборудования.

Технологии изготовления

Основные методы производства блоков цилиндров:

• Литьё в песчаные формы: традиционный метод, позволяющий получать сложные отливки из чугуна и алюминия. Форма изготавливается из формовочной смеси (песок, связующее) с использованием модельной оснастки.
• Литьё под давлением (литъё в кокиль): расплавленный металл заливается в металлическую форму (кокиль). Обеспечивает более высокую точность и производительность, чем литьё в песок. Применяется для алюминиевых блоков.
• Литьё по выплавляемым моделям: используется для сложных, точных отливок, например, для блоков оппозитных двигателей.
• Механическая обработка: после литья блок проходит многоступенчатую обработку на станках с ЧПУ: фрезерование плоскостей, растачивание цилиндров и постелей подшипников, сверление и нарезание резьбы в отверстиях, хонингование цилиндров.

Применение

Блоки цилиндров являются неотъемлемой частью практически всех типов поршневых ДВС:

• Автомобильные двигатели: легковые и грузовые автомобили, автобусы.
• Мотоциклетные двигатели: от одноцилиндровых до многорядных.
• Судовые двигатели: от небольших лодочных моторов до гигантских малооборотных дизелей (например, двигатели MAN B&W, Wärtsilä).
• Авиационные двигатели: поршневые двигатели лёгкой авиации и исторических самолётов.
• Стационарные двигатели: генераторные установки, компрессоры, насосы.
• Тракторные и комбайновые двигатели.

Интересные факты

• Самый большой в мире двигатель внутреннего сгорания — 14-цилиндровый дизель Wärtsilä-Sulzer RTA96-C — имеет блок цилиндров высотой более 13 метров и массой около 300 тонн.
• В двигателях некоторых советских автомобилей (например, ГАЗ-21 «Волга») блок цилиндров изготавливался из алюминиевого сплава с чугунными гильзами, что было прогрессивным решением для своего времени (1950-е годы).
• Технология «открытого дека» (open-deck) в алюминиевых блоках подразумевает отсутствие верхней перемычки между цилиндрами в рубашке охлаждения, что улучшает охлаждение верхней части цилиндров, но снижает жёсткость блока.

Критика и проблемы

Основные проблемы, связанные с блоками цилиндров:

• Деформация: при перегреве двигателя блок может деформироваться, что приводит к нарушению геометрии цилиндров и плоскостности поверхности под ГБЦ, вызывая прорыв газов и утечку охлаждающей жидкости.
• Износ зеркала цилиндров: в процессе эксплуатации происходит истирание рабочей поверхности, что увеличивает зазор между поршнем и цилиндром, снижает компрессию и увеличивает расход масла.
• Кавитационная эрозия: в дизельных двигателях с «мокрыми» гильзами возможна эрозия внешней поверхности гильзы из-за кавитации в охлаждающей жидкости.
• Трещины: могут возникать из-за замерзания охлаждающей жидкости (размораживание), гидроудара или усталостных нагрузок.