ДВС (Конструкция блока цилиндров, обзор)
В очередной раз шарясь по просторам рунета в поисках информации по ДВС для модели наткнулся на статью и не смог пройти мимо. Думаю многим будет интересна информация по тематике строения, технологии и материалов. Да простит меня автор.
Блок цилиндров – основная и самая дорогостоящая часть двигателя. Именно в блоке расположены отверстия цилиндров, в которых перемещаются поршни и происходят все процессы сгорания, в результате которых вырабатывается энергия. Блок цилиндров так же является основой двигателя, к которой крепятся все остальные детали. К блоку цилиндров также крепятся различные вспомогательные механизмы двигателя и других систем автомобиля. Например, электрический генератор, насос системы гидроусилителя рулевого управления и компрессор кондиционера. К блоку цилиндров крепится картер сцепления или корпус гидротрансформатора автоматической коробки передач. В самом блоке цилиндров расположен коленчатый вал и другие детали кривошипно-шатунного механизма. В старых конструкциях двигателя, некоторые из них выпускаются и в настоящее время (в основном в Америке), в блоке цилиндров располагался и распределительный вал, а когда-то, совсем давно, и сами клапаны, вместе с клапанными механизмами, тоже располагались в блоке цилиндров. В таких, так называемых нижнееклапанных двигателях головка блока цилиндров была просто крышкой с единственными отверстиями для установки свечей зажигания.
Немного истории или вернёмся к истокам
1 Отверстие цилиндра
2 Сёдла впускных клапанов
3 Сёдла выпускных клапанов
4 Канал рубашки охлаждения
5 Отверстие для установки распределительного вала
6 Выпускной канал
7 Впускные каналы
8 Полость для установки клапанов и клапанных механизмов
Блок цилиндров нижнееклапанного двигателя легкового автомобиля Мерседес 30-х годов.
Не стоит думать, что это совсем древность, подобные нижнеклапанные двигатели выпускались в нашей стране до 90-х годов. Ранее они устанавливались на автомобили ГАЗ-51 и ГАЗ-52, а позднее они устанавливались на различные погрузчики и другие строительные машины.
Но в современных конструкциях распределительный вал (валы), клапаны, впускные и выпускные каналы расположены в головке блока цилиндров. Сверху блок цилиндров закрывается мощной головкой блока цилиндров, а снизу блок цилиндров закрывается поддоном системы смазки.
Конструкция блока цилиндров
Блок цилиндров большинства двигателей отливается из серого легированного чугуна и далее подвергается механической обработке. В таком случае рабочей поверхностью зеркала цилиндра является чугун отливки. Отверстие цилиндра растачивается под установленный размер, а после окончательной механической обработки поверхность стенок имеет микроструктуру, позволяющую удерживать необходимое количество масла. Чугун, особенно легированный, обладает необходимой прочностью и низким коэффициентом трения в паре материалов «чугун – чугун» или «сталь – чугун», из которых изготавливаются поршневые кольца, и в паре материалов «алюминий – чугун» из которого изготавливаются поршни. При этом чугунные стенки цилиндров обладают высокой износостойкостью. Но иногда даже в чугунные блоки цилиндров, для увеличения износостойкости запрессовываются тонкостенные сухие гильзы из более износостойкого легированного чугуна.
Недостатком чугуна при производстве блока цилиндров является его большой удельный вес. Для улучшения динамики автомобиля конструкторы всеми силами стараются уменьшить вес всех компонентов автомобиля, включая двигатель. Поэтому блок цилиндров двигателя многих современных автомобилей отливается из алюминиевого сплава. Алюминий, кроме малого веса не имеет никаких преимуществ перед чугуном, но при этом появляются новые трудности. Алюминиевые сплавы гораздо мягче чугуна, поэтому для обеспечения необходимой жёсткости блока приходится делать более толстыми несущие стенки блока и делать сложную систему рёбер жёсткости. Алюминий имеет более высокий коэффициент температурного расширения, поэтому приходится более строго контролировать зазоры между различными деталями двигателя. Поршни всех современных двигателей, для облегчения веса, изготавливаются чаще всего из алюминиевых сплавов. Но коэффициент трения в паре материалов «алюминий – алюминий» очень большой и алюминий обладает низкой износостойкостью. Поэтому поверхность цилиндров должна быть изготовлена не из алюминия, а из другого материала. В алюминиевых блоках тонкостенные чугунные гильзы из износостойкого чугуна вплавляются в алюминиевую отливку при изготовлении отливки блока. Но стенки цилиндров самых современных двигателей с алюминиевым блоком при помощи современных технологий могут быть покрыты гальваническим способом специальным износостойким металлом. Или при помощи самых современных технологий осуществляется поверхностное упрочнение стенок цилиндров. При отливке блока цилиндров специальные технологии повышают концентрацию кремния в поверхностном слое стенок цилиндров, далее при помощи химических реакций из поверхностного слоя стенок цилиндров удаляется алюминий. В результате этого упрочнения износостойкость стенок цилиндров превышает по этому показателю цилиндры, изготовленные из чугуна. Но в этом случае, для снижения коэффициента трения между алюминиевым блоком цилиндров и алюминиевыми поршнями, поршни покрываются тонким слоем железа. Отсутствие чугунных гильз значительно уменьшается вес блока цилиндров.
Иногда в блок цилиндров вставляются съёмные гильзы, которые герметизируются в блоке цилиндров при помощи медных или резиновых прокладок. Съёмные гильзы имеют преимущество в том, что после предельного износа их можно заменить новыми, изготовленными или отремонтированными (расточенными под ремонтный размер) с высокой точностью в заводских условиях. Применение съёмных гильз упрощает ремонта двигателя. Но в последнее время такие гильзы применяются довольно редко, поскольку блоки цилиндров со вставными гильзами имеют некоторые, присущие им недостатки. При перегреве двигателя происходит разгерметизация посадки гильзы в блоке, в результате которой происходит утечка охлаждающей жидкости.
Гильзы, непосредственно омываемые охлаждающей жидкостью, называются мокрыми. Гильзы, запрессованные в материал отливки блока, и не соприкасающиеся непосредственно с охлаждающей жидкостью называются сухими.
Во время отливки в блоке цилиндров изготавливаются каналы для прохода охлаждающей жидкости, омывающей гильзы цилиндров. Система таких каналов называется рубашкой охлаждения. Так же в блоке цилиндров методом сверления делаются масляные каналы, чаще называемые масляными магистралями, по которым масло от насоса системы смазки поступает ко всем трущимся деталям двигателя. Выходные отверстия сверлений масляных магистралей на наружной поверхности блока цилиндров имеют резьбовые заглушки или герметизируются другими способами.
При конструировании и изготовлении блока цилиндров конструкторам и технологам приходится постоянно находить компромисс между прочностью и весом блока цилиндров. Для снижения веса, без уменьшения прочности блок часто имеет множество рёбер жёсткости, особенно этим отличаются блоки цилиндров японских автомобилей.
Во время работы двигателя блок цилиндров подвергается значительным температурным и механическим нагрузкам. Давление расширяющихся рабочих газов давит на поршень и верхнюю стенку камеры сгорания, расположенную в головке блока цилиндров. От головки блока цилиндров, через элементы её крепления (болты или шпильки) усилие передаётся на блок цилиндров. А усилие от поршня, через детали кривошипно-шатунного механизма и постели подшипников коленчатого вала передаются на блок цилиндров с другой стороны. В результате воздействия этих противоположно направленных сил в блоке цилиндров возникают большие растягивающие напряжения. Блок цилиндров также испытывает изгибающие усилия.
Блок, не обладающий необходимой прочностью, не только деформируется сам, но и деформирует такие дорогие детали двигателя как коленчатый или распределительный валы.
Основной неисправностью блока цилиндров является износ стенок цилиндров, вызванный продолжительной эксплуатацией двигателя, то есть большим пробегом автомобиля.
Капитальный ремонт двигателей легковых автомобилей с расточкой и последующей хонинговкой цилиндров сейчас массово не производится. Хотя все отечественные заводы выпускают в запасные части поршни и поршневые кольца трёх ремонтных размеров, что позволяет приводить расточку отверстий цилиндров несколько раз.
Причин тут много и экономических, и технических и, особенно организационных. Если бы у нас, как во многих странах мира, в учётных документах на автомобиль заносился только VIN-код автомобиля, без указания номера двигателя, то, вполне возможно, появилась организационная возможность и экономическая целесообразность, создания высокотехнологичных предприятий по капитальному ремонту двигателей отечественных автомобилей. Возможно, это не очень выгодно автопрому, но, вполне вероятно было бы выгодно массе потребителей.
Номер двигателя выбивается на поверхности блока цилиндров.
У американцев капитальный ремонт их огромных двигателей V8 или V10 широко развит. Для этого у них существуют специальные авторемонтные заводы с дорогими точными станками, точным мерительным инструментом и квалифицированным персоналом. Причём довольно часто на капитально отремонтированный двигатель даётся гарантия, превышающая гарантию на новый двигатель того же производителя.
Капитальный ремонт двигателей массовых легковых автомобилей в Европе, также как и в нашей стране массово отсутствует. Большая конкуренция на автомобильном рынке и высокая надёжность современных двигателей, привели к тому, что стало легче заменить весь автомобиль, чем ремонтировать двигатель. Если с Европой всё ясно, то насколько верна эта политика в нашей стране, для меня, точного ответа нет.
Но капитальный ремонт двигателей грузовых автомобилей, сельскохозяйственных и дорогих строительных машин производится, поскольку это экономически оправдано. Новый двигатель импортного бульдозера или экскаватора может стоить так дорого, что оправдывает капитальный ремонт любой сложности и стоимости.
Также возникает потребность в капитальном ремонте двигателя с гильзовкой, расточкой, хонинговкой и фрезеровкой поверхности головки блока цилиндров при реставрации старинных и уникальных автомобилей.
Выполнить капитальный ремонт с механической обработкой блока цилиндров и некоторых других основных деталей двигателя, например, коленчатого вала или головки блока цилиндров, в условиях небольших и даже средних сервисных предприятий с необходимым качеством практически невозможно. Гарантированное качество капитального ремонта двигателя можно обеспечить только в условиях узко специализированного на такие виды ремонта предприятиях, укомплектованные точными специализированными станками, мерительным инструментом и квалифицированными кадрами.
В наших условиях, особенно при капитальном ремонте двигателя на небольших сервисных предприятиях, когда механическая обработка блока цилиндров и коленчатого вала производится в сторонних организациях, срок службы капитально отремонтированного двигателя не превышает одной трети от ресурса нового двигателя. Поэтому, с учётом стоимости ремонта и вероятной стоимости каждой тысячи километров пробега отремонтированного двигателя, возможно, дешевле купить новый двигатель. Разумеется, если автомобиль не готовится к продаже.
Крышки коренных подшипников коленчатого вала
Ранее указывалось, что блок цилиндров является основой сборки двигателя. Внутри блока цилиндров расположены кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, впрочем, газораспределительный механизм современного двигателя почти полностью расположен в головке блока цилиндров, а снаружи к блоку цилиндров крепятся различные вспомогательные механизмы. Но что объединяет все эти компоненты двигателя – их, в случае выявленной неисправности, во время ремонта можно заменить. Но в блоке цилиндров есть детали, которые ни при каких условиях заменять нельзя – это крышки коренных подшипников коленчатого вала. На заводе-изготовителе окончательная механическая обработка отверстий подшипников коленчатого вала производится за один проход режущего инструмента при установленных крышках коренных подшипников. Зазор и соосность в коренном подшипнике устанавливается с высокой точностью, поэтому никогда, ни при каких условиях не допускается установка на блок цилиндров крышек коренных подшипников от другого блока цилиндров. Также не допускается перестановка местами крышек одного блока, или установка крышек в другом направлении.
Условно крышки коренных подшипников можно разделить на три группы. К первой можно отнести индивидуальные крышки коренных подшипников. В этом случае каждый коренной подшипник имеет свою индивидуальную крышку. Например, стандартный рядный четырёхцилиндровый двигатель имеет пять коренных подшипников и каждый коренной подшипник имеет свою индивидуальную крышку. Большая часть автомобильных двигателей, и не только рядных четырёхцилиндровых, устроена именно по такому принципу.
Индивидуальные крышки коренных подшипников коленчатого вала 
1 – Специальный болт; 2 – Метка направления; 3 – Метка места.
Но в последнее время, в целях увеличения жёсткости блока цилиндров в зоне расположения коленчатого вала, стали применяться единые общие для всех коренных подшипников двигателя крышки блока цилиндров. Ко второй группе можно отнести единую крышку цилиндров, не являющуюся структурной единицей двигателя, устанавливаемую в масляном поддоне двигателя. В этом случае блок цилиндров имеет глубокую юбку картера, к которой снизу крепится масляный поддон.
Блок общих крышек коренных подшипников коленчатого вала 
1- Крышки коренных подшипников; 2 – Блок цилиндров; 3 – Режущий инструмент расточного станкадвигателя. Обратите внимание, что точная установка общей крышки производится при помощи направляющих втулок.
На этом рисунке видно, что все отверстия коренных подшипников коленчатого вала обрабатываются за один проход. Перед окончательной расточкой отверстий все крышки коренных подшипников затягиваются всеми штатными болтами (включая боковые, если имеются) установленным моментом затяжки.
Устройство блока и головки блока цилиндров двигателя
Блок цилиндров (БЦ) и головка блока цилиндров (ГБЦ) двигателя являются основными частями любого ДВС. В них находятся механизмы и узлы, обеспечивающие работу мотора. При работе БЦ и ГБЦ подвергаются серьезным нагрузкам и перепадам температур, поэтому очень важны материалы и качество их изготовления. Также важным фактором является точность и степень механической обработки.
Блок цилиндров
Блок цилиндров или шорт-блок является самой большой частью двигателя. Остальные элементы, так или иначе, крепятся к нему. В верхней части БЦ находятся колодцы цилиндров. Вокруг них выполнены полости для жидкостного охлаждения (рубашка охлаждения). В нижней части, которая называется картером, располагается коленчатый вал, к которому крепятся шатуны и поршни. То есть блок является местом расположения всего кривошипно-шатунного механизма. Также в нем выполнены каналы системы смазки.
БЦ изготавливают цельной деталью при помощи литья. В качестве основного материала для изготовления служит чугун или алюминиевые сплавы. БЦ из алюминиевых сплавов значительно легче по весу, но проигрывает в прочности и цене. Чугун доступнее и прочнее.
Цилиндры и хонингование
Рабочие цилиндры могут быть выполнены непосредственно как часть блока, а могут применяться гильзы. На поверхность цилиндров наносится специальный никелькремниевый сплав – никасил. Это очень прочный материал, защищающий кольца поршня от трения. Поверхность полируется до зеркала, чтобы свести к минимуму трение в условиях ограниченного поступления масла.
Для улучшения смазки внутренней поверхности цилиндров применяют хонингование. Хон наносится специальным инструментом с головкой и абразивными брусками. В итоге на поверхности образуется выгравированная сетка. В ее желобках лучше удерживается масло. На внутренних стенках с хоном образуется масляная пленка, в результате чего значительно снижается трение и повышается ресурс деталей. Повторное хонингование, как правило, делается во время расточки двигателя или замены гильз.
Гильзы
Гильзы применяются в блоках из алюминиевых сплавов, так как алюминий менее стоек к нагрузкам и тяжелым температурным режимам, в отличие от чугуна. Они бывают съемными и несъемными. Последние выполняются путем запрессовки в блок. Также гильзы делят на «мокрые» и «сухие». «Мокрыми» называют гильзы, которые непосредственно соприкасаются своими стенками с охлаждающей жидкостью в рубашке охлаждения блока. Таким образом, достигается лучшее охлаждение. «Мокрые» гильзы легко заменить. Часто их применяют на сельхозтехнике, тягачах и другом спецтранспорте.
«Сухие» гильзы чаще всего несъемные и запрессованы в тело цилиндра, что обеспечивает цельность и жесткость всего блока. Но «сухие» гильзы хуже отводят тепло, чем «мокрые».
Расточка и гильзовка блока цилиндров
После появления дефектов и выработки на стенках применяют расточку цилиндров. Со стенок снимается металл определенной толщины, а затем устанавливаются другие ремонтные поршни и кольца под новый размер. Число расточек ограничено, так как объем постепенно увеличивается, а прочность снижается.
После максимального числа расточек применяют гильзовку. Это сложный процесс, который можно сделать только при наличии специального оборудования. «Мокрые» гильзы поменять намного легче, даже в полевых условиях. Если установлены «сухие» гильзы или это монолитный чугунный блок, то он растачивается под новые гильзы, которые запрессовываются с высокой точностью. Сам блок нагревается до 150-200 градусов, а новая гильза охлаждается. Так достигается наиболее плотная и точная посадка.
Головка блока цилиндров
Головка блока цилиндров устанавливается сверху блока и является, по сути, крышкой, которая его закрывает. Для изготовления ГБЦ применяются в основном алюминиевые сплавы. Крепится головка к блоку с помощью шпилек или болтов, которые затягиваются динамометрическим ключом в строгой последовательности, как указано в руководстве по ремонту конкретного автомобиля.
Камеры сгорания образуются путем плотного прилегания ГБЦ к БЦ. Чтобы отработавшие газы не проникали между головкой и блоком цилиндров, устанавливается уплотнительная прокладка. Она основана на асбестографитовой основе и способна выдерживать рабочую температуру и давление.
ГБЦ в сборе состоит из следующих элементов:
- корпус с камерами сгорания, патрубками, масляными и каналами системы охлаждения;
- газораспределительный механизм (впускные и выпускные клапаны, коромысла и толкатели);
- распределительные валы с приводом от коленвала;
- отверстия для свечей зажигания;
- впускные и выпускные коллекторы для подачи воздуха и отвода отработавших газов;
- прокладка ГБЦ.
На современных двигателях клапаны ГРМ и распредвал находятся именно в головке блока. Но раньше были моторы с нижним распредвалом. В V-образных двигателях на каждый ряд цилиндров устанавливается отдельная головка блока.
В передней части ГБЦ находится цепной или ременный привод газораспределительного механизма. По обеим сторонам на фланце крепятся впускной и выпускной коллекторы. Также рядом расположены патрубки для подвода охлаждающей жидкости.
Клапанная крышка
Клапанная крышка закрывает ГБЦ и газораспределительный механизм. Она крепится к головке с помощью болтов. Между головкой и крышкой также устанавливается прокладка для плотного и герметичного соединения. Это нужно, чтобы масло в процессе работы не вытекало наружу, а внутрь не попадали грязь и пыль. Также на крышке располагается маслозаливная горловина.
Ранее крышки изготавливались из стали, но на современных двигателях отдают предпочтения алюминиевым или пластиковым. Это снижает уровень шума, повышает надежность и доступность детали.
Блок цилиндров и головка блока цилиндров составляют основу двигателя. Многое зависит от материалов и качества их изготовления. При правильной эксплуатации и своевременном обслуживании они прослужат очень долго.
Устройство блока цилиндров двигателя: просто о сложном
Блок цилиндров двигателя — это деталь 2-х и более цилиндровых поршневых двигателей. Блок цилиндров выполняет две основные функции: он является корпусом для размещения всех узлов, механизмов и деталей двигателя. Второе – блок цилиндров основа для навесных частей двигателя: картер, головка блока цилиндров.
Материал изготовления блока цилиндров
Чугун – традиционный материал, из которого до недавнего времени изготавливались блоки. Чугун применяется с добавками: никель, хром. Положительные качества чугунного блока цилиндров: меньшая чувствительность к перегреву, жёсткость, необходимая при высокой степени форсировки двигателя. Минус – большая масса, которая влияет на динамику легкового автомобиля.
Алюминий – занимает второе место в изготовлении блоков цилиндров. Положительными качествами алюминиевого блока являются: лёгкость и лучшее охлаждение. Как недостаток отмечается проблема с подбором материала, из которого должен выполняться цилиндр.
В современных условиях, для изготовления цилиндров в алюминиевые блоки цилиндров двигателя разработаны технологии: Locasil – запрессовка гильз из алюминий — кремния, Nicasil – в виде никелевого покрытия на алюминиевой поверхности блока цилиндров.
Недостатком никасиловой технологии считается то, что при прогаре поршня или обрыве шатуна, никелевое покрытие выходит из строя и блок цилиндров не подлежит ремонту. Он меняется в сборе. В отличие от чугунного, который подвергается расточке и гильзованию ремонтным комплектом.
Блок цилиндров из магниевого сплава сочетает в себе твердость чугунного, и лёгкость алюминиевого. Но, такой блок очень дорогое удовольствие и на конвейерном производстве не применяется.
Каждый из материалов имеет свои плюсы и минусы, поэтому однозначно заявлять какой из них лучше, некорректно.
Основные требования к блоку цилиндров двигателя
- отверстия всех постелей должны обеспечивать соосность;
- постели должны иметь одинаковый диаметр. Исключение составляют специальные конструкции;
- оси постелей и плоскости блока цилиндров должны быть идеально параллельны.
Обзор основных деталей блока цилиндров
Цилиндр двигателя. Основной деталью цилиндра двигателя является гильза. Применяются два типа гильз:
- гильзы, впрессованные непосредственно в блок цилиндров. Как правило, в алюминиевых блоках; которые подразделяются на «мокрые» и «сухие».
Головка блока цилиндров. В её состав входят: камера сгорания, места крепления ГРМ, рубашка охлаждения и каналы смазки, резьбовые отверстия для свечей (форсунок), отверстия для впускных и выпускных каналов.
ГБЦ крепится к блоку цилиндров сверху. Отдельным пунктом нужно отметить технологию крепления ГБЦ к блоку цилиндров. Она требует специальных болтов крепления и выполнения инструкций производителя. Затяжка ГБЦ производится только при помощи динамометрического ключа с соблюдением рекомендуемых параметров момента затяжки и схемы затяжки болтов.
Картер двигателя. В ДВС картер является частью блока цилиндров. Снизу картер закрывается поддоном. По сути, картер – это корпус для кривошипно-шатунного механизма. Крепится к блоку цилиндров снизу.
Блок цилиндров двигателя — место где бешено крутится коленвал
Блок цилиндров двигателя – самая большая массивная деталь корпуса ДВС. Условно его можно считать корпусом.
Он – опора для подвижных узлов кривошипно-шатунного механизма. В нем располагаются цилиндры, к нему крепятся навесные агрегаты, например, стартер, генератор и т. п.
История создания
Первый рядный блок цилиндров двигателя придумал немецкий изобретатель 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.
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.
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.
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.
Обзор основных деталей
Цилиндр двигателя
Головка блока цилиндров двигателя – ГБЦ
Она закреплена сверху конструкции направляющими шпильками и болтами крепления ГБЦ. Очень важная деталь – прокладка блока, она расположена между ГБЦ и самим блоком. Изготавливают ее из асбестометалла, металла, а может быть безасбестовой.
Головка блока цилиндров двигателя состоит из: камеры сгорания, мест крепления ГРМ, рубашки охлаждения, каналов для смазки, резьбовых отверстий свечей (форсунок), отверстий впускных и выпускных каналов.
Отдельно стоит упомянуть технологию крепления ГБЦ. Для этого используются специальные болты крепления, а сама операция выполняется согласно инструкциям производителя.
В частности затягивать головку нужно динамометрическим ключом с соблюдением момента затяжки и пользуясь схемой затяжки болтов.
Картер двигателя
Картер считается частью блока, и крепится к нему снизу. Закрывается поддоном. То есть, картер – можно назвать корпусом кривошипно-шатунного механизма.