Блок цили́ндров — основная деталь кривошипно-шатунного механизма (КШМ) двух- и более цилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания. Является цельнолитой деталью, объединяющей собой цилиндры двигателя. Отливается как правило из чугуна, реже — литейных алюминиевых или магниевых сплавов. На блоке цилиндров имеются опорные поверхности для установки коленчатого вала. К верхней части блока крепится головка блока цилиндров, нижняя часть образует верхнюю часть картера. Таким образом, блок цилиндров является основной корпусной деталью двигателя, к которой так или иначе крепятся остальные его агрегаты и узлы. Картер сцепления на некоторых двигателях идёт в комплекте и обрабатывается совместно, и в таком случае (как и крышки коренных подшипников) .
Блок цилиндров используют в двигателях с жидкостным охлаждением, причём полости блока образуют рубашку охлаждения. В двигателях с воздушным охлаждением, изготовление цилиндров в одном блоке весомых преимуществ не даёт, и .
История После появления поршневых двигателей, в целях улучшения равномерности вращения, массогабаритных показателей, увеличения КПД (искровые) и снижения вибрации, были созданы многоцилиндровые конструкции. На ранних двигателях, ввиду технологических трудностей, картер кривошипного механизма присоединялся на болтах, часто были отдельными цилиндры, рубашки охлаждения, водяные и масляные трубки.
По мере развития технологий литья и станочной обработки (то есть, уменьшения вероятности брака столь сложной детали) блок цилиндров объединил в себе верхнюю часть картера и все цилиндры. Это уменьшило количество деталей, их суммарный вес, и увеличило жёсткость (что позволяет, например, форсировать двигатели по наддуву). Сейчас такие названия как «блок двигателя», «блок цилиндров», «блок» можно услышать в сервисе или среди водителей, и все они относятся именно к этой единой детали. Блок-картером является деталь, объединяющая в себе блок и все стенки картера (часто это ), но и её обычно называют так же.
Однако трудности транспортного характера всё ещё вынуждают изготавливать крупноразмерные судовые двигатели с отдельным картером, отдельными цилиндрами, отдельными головками. Главные судовые дизели столь велики и тяжелы (до 600..800 тонн), что перевозятся по железной дороге частями и монтируются краном на месте. Из эксплуатационных соображений их блоки и картеры имеют многочисленные люки для обслуживания и проверки, и даже головки цилиндров могут иметь .
Материал для изготовления блоков цилиндров и гильз
Смотря по выбранной литровой массе (кг/л рабочего объёма), необходимых эксплуатационных характеристик, назначения, преемственности и технологичности изготовления конструкции при проектировании выбирают один из вариантов компоновки (расположения цилиндров), а также материал блока цилиндров.Цилиндры работают в условиях переменных давлений в надпоршневой полости. Их внутренние стенки соприкасаются с пламенем и горячими газами, раскалёнными до температуры 1500—2500 °С. Средняя скорость скольжения поршневых колец по стенкам цилиндров автомобильных двигателей достигает 12—15 м/с, и более (гоночные). Поэтому материал, используемый для изготовления блока цилиндров, должен обладать большой механической прочностью, а сама конструкция стенок — достаточной жесткостью. Стенки цилиндров должны хорошо противостоять истиранию при ограниченной смазке и обладать общей высокой стойкостью против других возможных видов износа (абразивного, коррозионного и некоторых разновидностей эрозии), уменьшающих срок службы цилиндров. Ко всему этому, материалы, применяемые для изготовления цилиндров, должны обладать хорошими литейными свойствами и легко обрабатываться на станках.
Если нет жёстких ограничений по массе (стационарный, судовой, тракторный двигатели) то материалом блока служит серый перлитный (реже ковкий) чугун. Если же требуется снижение массы (транспортные двигатели), то может быть оправдано применение лёгких алюминиевых или (реже) магниевых сплавов (для транспортных средств с рекуперацией энергии торможения, таких как гибридные автомобили, снижение массы меньше сказывается на расходе топлива). Наиболее важно максимальное облегчение блока цилиндров (и других деталей) для поршневых авиационных двигателей, тут экономически оправданы самые высоколегированные стали, лёгкие металлы, и композиты. При допустимой литровой массе 80-100 кг/л обычно применяют чугун.
Чугун Преимуществами серого чугуна являются: низкая цена; высокая технологичность литья и мехобработки (стружка откалывается, высокие режимы резания); стабильность свойств, включая термические, минимальное коробление; высокие демпфирующие свойства материала; повышенная жёсткость, малочувствительность к перегреву; возможность заворачивать крепёж (болты) непосредственно в блок; удобство ремонта трещин (запайка латунью, заварка, эпоксидный клей); высокая твёрдость поверхностей, позволяющая небрежное обращение; высокая износостойкость и антифрикционные свойства позволяют изготавливать цилиндры заодно, без вставных гильз; упрощение обработки коренных постелей, так как крышки также чугунные; применение стальных, а не составных алюминиевых штанг, в случае компоновки с нижним распредвалом.
Основным недостатком чугунов является большая масса (плотность выше в 2,7 раза), и меньшая теплопроводность. Литейные стали для отливки блоков не применяют, так как литейные свойства их хуже, а толщины стенок и вес определяются жёсткостью отливки, а не предельными прочностными характеристиками. К тому же демпфирование у сталей хуже.
В последние десятилетия для увеличения твёрдости цилиндры чугунных блоков (или только гильзы) подвергают лазерному отбеливанию: луч проходит поверхность по спирали, переплавляя серый чугун в белый в тонком слое. Белый чугун имеет высокую твёрдость, но ограниченная толщина и высокая твёрдость слоя затрудняет при ремонте операцию расточки.
В случае изготовления безгильзового блока, его клеймят в соответствии с диаметром расточки цилиндров. Обычно блоки разбивают по размерам через 0,01 мм. Это требуется для установки на заводе поршней соответствующего отклонения и гарантирует установленный инструкцией небольшой монтажный зазор поршень-цилиндр. Чаще всего клеймление буквой (A, B, C, D, E) можно встретить на нижней плоскости блока отечественных моторов. Конечно, после расточки это теряет смысл.
Алюминиевый сплав Алюминиевые сплавы (кремнийсодержащие) значительно дороже, зато позволяют снизить массу двигателя. Жёсткость (и возможность форсировки) ограничены, особенно при использовании вставных гильз с нижним базированием (растягивают блок). Эти сплавы имеют ряд особенностей, которые следует учитывать при изготовлении и эксплуатации блоков: необходимость вставной или залитой гильзы из твёрдого материала; установка шпилек во избежание срыва резьбы из блока; большая аккуратность при ремонте, во избежание повреждения поверхностей; чугунные крышки подшипников требуют большой жёсткости борштанг при расточке постелей; точную затяжку крепежа (динамометр), во избежание деформаций и/или вырыва крепежа; строгое применение некорродирующей охлаждающей жидкости. В 1980-х годах начали применять запрессовку в алюминиевый блок тонкостенных «сухих» чугунных гильз, окружённых алюминием. Такие двигатели достаточно распространены. Но так как коэффициенты температурного расширения чугуна и алюминия не совпадают, это требует мер для предотвращения отрыва гильзы от блока при прогреве мотора и потенциально снижает его долговечность.
Алюминиевые блоки, кроме чугунных вставных гильз, могут быть хромированы, покрыты никасилом, алюсилом, или иметь вставные алюсиловые гильзы. Во всех этих случаях уменьшается масса, но ремонт затруднён.
На двигателе Chevrolet Vega 1971 года блок отливался из сплава с содержанием до 17 % кремния (фирменное название Silumal), но опыт оказался неудачным: любой задир на зеркале цилиндра был для него фатальным, из-за чего мотор оказался очень чувствителен к качеству смазочных материалов и перегреву, и часто полностью выходил из строя намного раньше заявленного срока из-за износа стенок цилиндра, восстановление которого вне заводских условий было невозможно. Это повлекло за собой скандал и миллионные убытки для компании GM. Усовершенствованная в 80-х — 90-х годах технология была применена европейскими фирмами Mercedes-Benz, BMW, Porsche, Audi.
Альтернативная технология Nicasil — никелевое покрытие на алюминиевых стенках цилиндров с напылением кристаллов карбида кремния, применялась ещё в 60-е — 70-е годы для двигателей дорогих спортивных автомобилей, в частности — используемых в Formula 1. Из современных двигателей такие блоки имели моторы М60 и М52 фирмы BMW, причём их продажи в некоторых странах сопровождались скандалом — «никасил» разрушался от реакции с некоторыми сортами топлива, содержащими повышенную концентрацию серы (что характерно, в частности, для некоторых регионов США и России). Главный же недостаток «никасила» — тонкое никелевое покрытие легко повреждается например при обрыве шатуна или прогаре поршня, и блок не подлежит восстановлению.
Сравнительно недавно немецкая фирма Kolbenschmidt разработала и технологию, при которой в обычный алюминиевый блок запрессовываются готовые алюминий-кремниевые гильзы, имеющие упрочненные стенки с повышенным (до 27 %) содержанием кремния (технология Locasil), — это позволяет снизить себестоимость и частично решает проблему ремонтопригодности. Все варианты, кроме последнего, не позволяют шлифовать блок.
Магниевый и другие Блоки из магниевого сплава позволяют ещё больше снизить массу блока, чем применение алюминия. Наибольшая эффективность от этого достигается в мощных бензиновых моторах скоростных машин. Но магниевые литейные сплавы почти так же дороги, как и алюминиевые, сложнее технологически, а механические свойства магния несколько хуже (меньшая пластичность даёт снижение усталостной прочности против алюминиевых сплавов). Это позволяет получить выигрыш в весе в основном на узкоспециализированных спортивных моторах. Некоторое исключение — двигатель «Запорожца» с картером из авиационного магниевого сплава МЛ-5 (и отдельными чугунными цилиндрами), бензопила «Дружба-4». Твёрдость и коррозионная стойкость магниевых сплавов обычно уступает сплавам с преобладанием алюминия. В магниевый блок нельзя даже напрямую вворачивать стальной крепёж — только через алюминиевые ввёртыши, либо используя алюминиевые же болты. Однако, магниевые сплавы обладают очень высоким демпфированием, следовательно, такие двигатели работают тише.
Блоки из лёгких сплавов эстетичнее, и производят впечатление высокой культуры производства. И алюминиевые, и магниевые блоки при использовании залитых гильз или твёрдого покрытия (алюсил, никасил) имеют почти равные с поршнем коэффициенты расширения, потому монтажный зазор поршня может быть меньше. При нагреве двигателя с алюминиевым блоком стальной шатун удлиняется меньше, поэтому степень сжатия несколько уменьшается относительно холодного мотора, что также является выгодным отличием.
Американской фирмой Crosley выпускались двигатели CoBra (Copper Brazed = «пайка медным припоем») с блоком цилиндров из штампованного листового металла, соединённого пайкой медным припоем. Эти двигатели изначально использовались в качестве генераторных в авиации и на флоте, и в таких условиях имели приемлемый моторесурс, однако при применении на малолитражном легковом автомобиле оказались ненадёжны, ввиду чего были заменены на двигатели с обычным литым чугунным блоком.
Проводились эксперименты по созданию пластикового двигателя, с армированием арамидом.
На заре автомобилизма могли также использоваться бронзовые блоки цилиндров, что обусловлено высокой технологичностью этого сплава при литье.
Компоновка и характеристики блока цилиндров
Расположение цилиндров