Конструкция и материалы блока цилиндров

Один из важных элементов двигателя (ДВС) – это блок цилиндров. Он является неотъемлемой частью всей силовой установки и кривошипно-шатунного механизма. По своей сути блок цилиндров аналогичен скелету. Этот конструктивный элемент выступает как каркас, на который устанавливаются другие механизмы, целые узлы и компоненты двигателя.

Внутри блока цилиндров помещаются поршни, где они перемещаются в процессе работы двигателя, обеспечивая вращение коленвала. Движение поршней должно осуществляться с минимальным трением и максимальной плавностью. Эта задача достигается благодаря специальной обработке внутренней поверхности блока, известной как зеркало цилиндра. Из-за постоянного движения поршней на материал внутренней поверхности накладываются высокие требования по стойкости к температурным воздействиям и механическим нагрузкам.

Нижняя поверхность блока цилиндров формирует верхнюю часть картера, а сверху на него устанавливается головка блока цилиндров (ГБЦ). Также блок имеет элементы для установки коленвала, обеспечивая его стабильную работу внутри двигателя.

В зависимости от требований к теплостойкости, прочности, надежности и гладкости рабочей поверхности, выбор материала для изготовления блока цилиндров существенно варьируется.

Чугун

Наиболее распространённым материалом для производства блока цилиндров является легированный серый чугун. Его основные преимущества — доступность и относительно низкая стоимость. Кроме того, чугун обладает следующими достоинствами:

• Простота обработки и технологичность процессов производства.
• Возможность монтажа креплений непосредственно в деталь.
• Стабильность характеристик и свойств даже при высоких температурах.
• Отличные амортизирующие свойства.
• Высокая износостойкость и возможность ремонта.
• Большая твердость и жёсткость.
• Совместимость с другими рабочими деталями ДВС, изготовленными из различных материалов.

Однако серый чугун имеет значительный недостаток – высокую плотность, что приводит к увеличению массы конструкции блока цилиндров.

Сплавы алюминия

Использование различных кремнийсодержащих алюминиевых сплавов, хотя и более дорогое решение по сравнению с чугуном, позволяет значительно снизить массу силовой установки. Технологический процесс производства блока цилиндров из алюминия более сложен и содержит ряд важных особенностей:

• Использование шпилек для предотвращения срыва резьбы при монтаже узлов мотора к блоку цилиндров.
• Применение конструкций с вставной или залитой гильзой.
• Необходимость использования специализированных охлаждающих жидкостей, обладающих некоррозионными свойствами.
• Повышенные требования к прочности и точности затягивания крепежных элементов.

Для улучшения эксплуатационных характеристик алюминиевый блок цилиндров подвергается специальной обработке поверхности, например, никелированию с использованием кристаллов карбида кремния.

Сплавы магния

Инновационный вариант — использование магниевых сплавов, преимущество которых – значительное снижение массы конструкции. Правда, их применение сопряжено с высокими затратами на производство, что ограничивает область их применения. Сегодня магниевые сплавы чаще всего используются в производстве мощных силовых агрегатов для спортивных и суперкаров, где эффективность и легкость конструкции решающую решающую роль.

По своим технико-эксплуатационным характеристикам блоки цилиндров из магниевых сплавов схожи с аналогами из алюминия, но требуют особой осторожности при проведении ремонтных работ и обслуживания.

Существует несколько основных вариантов позиционирования цилиндров, каждый из которых имеет свои уникальные особенности и применение в различных типах силовых установок.

Рядный (Inline). Простейшая и наиболее распространенная архитектура, при которой цилиндры расположены в одной линии. Этот тип расположения цилиндров характерен высокой массой блока, но обеспечивает легкость в производстве. Рядное расположение применяется чаще всего в дизельных двигателях большой мощности, устанавливаемых на судах и в тяжелой технике, где вес двигателя не является критическим параметром. Также рядные ДВС используются в бюджетных автомобилях.

V-образный (V-engine). В этом варианте цилиндры расположены под углом друг к другу, образуя форму буквы «V», они имеют смещенные блоки (offset) или без таковых. V-образные двигатели считаются универсальными благодаря оптимальному сочетанию массы, стоимости и технических характеристик. Именно этот тип наиболее распространен в автомобильной промышленности, где требуется компромисс между размерами и производительностью.

W-образный (W-engine). Конфигурация, объединяющая преимущества рядного и V-образного расположения цилиндров. Основным преимуществом является сокращение длины коленвала и компактность двигателя, что приводит к снижению его массы. Но W-образные двигатели могут страдать от потери жесткости блока цилиндров, что влияет на их надежность при интенсивной эксплуатации.

Помимо вышеописанных типов, существует также звездообразное позиционирование цилиндров, которое активно применялось в истории воздушных судов и скоростных специализированных транспортных средствах. Эта архитектура была распространена до эпохи газотурбинных двигателей из-за своей высокой скорости и минимальной массе.

Каждый тип позиционирования цилиндров имеет свои уникальные характеристики, определяющие их применяемость в различных сферах автомобилестроения и индустрии тяжелого оборудования. Выбор конкретной архитектуры зависит от требований к мощности, компактности и эксплуатационным характеристикам силовой установки.

Силовые установки, оснащенные блоком цилиндров, могут быть оборудованы двумя основными типами систем охлаждения: воздушной и жидкостной.

Жидкостная система охлаждения

Жидкостная система охлаждения считается предпочтительной из-за ряда преимуществ, в такой системе используется специальная жидкость, как правило, антифриз, которая циркулирует по системе и отводит тепло от двигателя. Это позволяет поддерживать оптимальную температуру работы двигателя независимо от внешних условий. Горячий воздух, отводимый от двигателя, также может использоваться для отопления салона в холодные периоды.

Воздушная система охлаждения

Воздушная система охлаждения имеет конструкцию блока цилиндров, в которой предусмотрены специальные ребра для увеличения поверхности охлаждения. Такие системы менее эффективны в поддержании оптимального температурного режима по сравнению с жидкостными системами. Также воздушно-охлаждаемые двигатели работают более шумно из-за конструктивных особенностей охлаждающего воздушного потока.

Виды смазки

Конструкция двигателей с блоком цилиндров предполагает использование различных видов смазки:

• Централизованную смазку: это метод, при котором смазочное масло подается централизованно и распределяется по всему двигателю через систему масляного насоса и каналов.
• Индивидуальную под давлением: смазка под давлением обеспечивает точечное нанесение смазочного материала на ключевые участки двигателя, где требуется повышенная защита от износа.
• Индивидуальную под разбрызгиванием: этот вид смазки предполагает использование специальных смазочных систем, которые разбрызгивают масло на поверхности внутренних деталей двигателя, обеспечивая равномерное покрытие и защиту.

Выбор типа смазки зависит от конкретной конструкции и производительных характеристик двигателя, а также от условий его эксплуатации.

Неисправности блока цилиндров

Наиболее распространенные неисправности, с которыми может столкнуться блок цилиндров:

• Износ стенок цилиндров: вызванный трением поршня и коленвала, что приводит к снижению КПД двигателя и ухудшению герметичности камеры сгорания.
• Микротрещины: обычно возникают из-за дефектов материала или экстремальных условий эксплуатации, что может привести к утечке охлаждающей жидкости и потере эффективности двигателя.
• Повреждение клапанных седел: возникает из-за перепадов температуры и трения, что приводит к ухудшению герметичности и снижению мощности двигателя.
• Поломка крепежных элементов: шпильки и болты могут выйти из строя из-за высоких нагрузок, что может привести к утечке масла и повреждению других конструктивных элементов двигателя.
• Накипь и нагар: образуются на поверхности блока цилиндров и в системе охлаждения, что может вызвать перегрев двигателя и увеличить риск его поломки.

Регулярное техническое обслуживание двигателя и оперативное обнаружение таких неисправностей позволяют продлить срок службы двигателя и обеспечить его надежную работу.