Что такое блок двигателя. Все про блок цилиндров двс. Вентиляционные отверстия картера

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.

По сути блок цилиндров двигателя - это основной корпус мотора без его внутренностей - головки блока цилиндров, поршней, шатунов, коленчатого вала, маховика и других деталей - просто единый блок цилиндров.

Типичный блок цилиндров 8-цилиндрового двигателя

Большинство блоков двигателей изготовлено частично из алюминия и частично из чугуна, хотя в конце 1990-х годов проводилось много экспериментов, и некоторые блоки моторов тогда пытались сделать даже из пластика. Такие экспериментальные материалы были использованы в прототипах автомобилей в надежде разработки более лёгких и эффективных машин. Дело в том, что чугунный блок цилиндров довольно большой по размерам и составляет значительную часть веса автомобиля. Блок цилиндров обычно требует несколько человек или специальное оборудование, чтобы поднять его.

Как Вы можете увидеть из фото выше, блок цилиндров это не просто прямоугольный корпус - это сплав сложной формы с многочисленным отверстиями (самые крупные из которых - для коленвала и поршней), каналами, углублениями и выступами. Ряд каналов и проходов внутри включают магистраль и предназначен для подачи антифриза из радиатора во все горячие участки двигателя, предотвращая его перегрев . После того как охлаждающая жидкость проциркулирует по всему двигателю, она возвращается в радиатор для охлаждения с помощью вентилятора и вновь отправляется обратно в двигатель.

Ядро блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания - это всегда цилиндры. Количество цилиндров определяет размер и размещение блока, и большинство автомобилей имеют от четырёх до восьми цилиндров. Существует три типа блоков двигателей в зависимости от расположения относительно друг друга цилиндров:

• рядный блок цилиндров;
• V-образный блок цилиндров;
• оппозитный блок цилиндров.

К нижней части блока крепится масляный поддон, который является по своей сути ванной для смазочного масла двигателя. Периодически моторное масло необходимо менять , и масляный поддон в этом случае опустошается от старого масла и наполняется затем новым.

Во время нормальной работы блок цилиндров двигателя становится очень горячим, и водители должны быть осторожны, касаясь его.

Осталось разобраться с кривошипно-шатунным механизмом и блоком цилиндров. К слову, именно по состоянию блока цилиндров озвучивались самые пессимистичные прогнозы - ведь такой пробег не мог не сказаться на геометрических характеристиках. Однако после полной ревизии блока этот двигатель окончательно влюбил в себя нашего мастера.

Кривошипно-шатунный механизм и блок цилиндров

Блок цилиндров - это металлическая корпусная деталь, в которой заключены элементы того самого кривошипно-шатунного механизма, благодаря которому поступательное движение поршней превращается во вращательное движение коленчатого вала. Внутри блока имеются полости, которые при работе мотора заполняются охлаждающей жидкостью - водяная рубашка. Блоки изготавливаются из чугунного или из алюминиевого сплава: сам по себе блок должен быть массивным, потому что воспринимает довольно увесистые ударные нагрузки, передаваемые от поршней. Также не стоит забывать о нагреве, последствия которого необходимо минимизировать.

Сверху блок накрывается головкой блока (ГБЦ), снизу - поддоном картера. В самом блоке располагаются гильзы, внутри которых перемещаются поршни. Внутренняя поверхность гильзы, которая непосредственно контактирует с поршнем, называется зеркалом цилиндра. В нижней части блока имеются «постели» - ложементы, в которые укладывается коленчатый вал, накрываемый крышками. При накрытии постели крышкой образуется отверстие, называемое коренной опорой коленвала.

Важно, чтобы блок цилиндров был достаточно жестким, так как силы, возникающие в процессе работы, пытаются скрутить, изогнуть и разорвать блок - именно поэтому он долгие десятилетия и оставался чугунным. Тренд современности - более легкие блоки цилиндров из алюминиевого сплава, с которыми (как и с облегченными чугунными) применяют интегрированные крышки коренных опор, называемые рамкой лестничного типа.

Итак, получается следующее: в классическом исполнении (как у нас, например) каждая коренная шейка коленчатого вала накрывается отдельной крышкой коренной опоры (ее часто называют бугелем). В рамке лестничного типа все бугели объединены в одну конструкцию, похожую на лестницу - таким образом конструкторы добились значительного повышения жесткости блока цилиндров. Недостатком данного подхода можно назвать стоимость изготовления подобной детали.

Разобравшись с блоком, переходим к движущимся частям - и первыми будут поршни. Они изготавливаются из алюминиевого сплава и конструктивно имеют юбку, днище и бобышки. Юбка - это боковая часть поршня, бобышки - это приливы, в которых выполнено отверстие под поршневой палец, а днище - это плоскость, обращенная непосредственно в камеру сгорания и непосредственно воспринимающая все нагрузки в процессе сжигания топливовоздушной смеси. Интересно, что днище поршня может быть плоским, как стапель краснодеревщика, а может иметь настолько сложную форму, что понять с первого раза, что это поршень, будет тяжело.

Сложность формы поршня, если таковая имеется, тщательно просчитана в угоду улучшению смешивания топлива с воздухом (что часто встречается в бензиновых ДВС с непосредственным впрыском топлива). Если же двигатель работает на дизеле (как наш), в поршне может находиться камера сгорания, а сам он будет значительно массивней своего бензинового собрата.

Поршень устанавливается в цилиндр с определенным зазором (часто 0.2–0.3 мм), потому для его уплотнения предусмотрены поршневые кольца. На современных двигателях поршень опоясывают два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Соединяется поршень с коленчатым валом через шатун - соединительный элемент. Один его конец крепится к поршню через палец, который запрессовывается или просто вставляется и стопорится кольцами в поршне и головке шатуна. Второй конец - разборный: для закрепления на коленвале необходимо установить крышку шатуна и затянуть ее болты или гайки крепления.

И коленвал с блоком, и шатуны с коленвалом контактируют через подшипники скольжения, они же вкладыши. Для дополнительного охлаждения поршней внутри блока могут быть установлены распылители масла, направленные на поршни.

Рядная «шестерка» считается одним из самых уравновешенных двигателей (в плане колебаний). У нас же - рядная «четверка», причем внушительного объема, а потому в блоке цилиндров установлены два балансирных вала, суть работы которых сводится к уменьшению колебаний двигателя.

Что может поломаться

Одни из самых уязвимых деталей двигателя - поршневые кольца: из-за нагара они могут залипнуть в буквальном смысле слова. При этом могут лопнуть сами кольца, а могут и перемычки на поршне, между которыми они установлены. Может, наконец, износиться непосредственно выборка под кольцо в поршне.

С самими поршнями потенциальных проблем меньше, но ситуацию это не облегчает. Самое простое, что может произойти - банальный износ и отклонение от номинального диаметра, полный же «трэш» - это прогорание поршня. Кроме того, возможен износ поршневого пальца и отверстий под палец в бобышках поршня.

С шатуном все еще проще: здесь есть два нюанса, которые проверяют всегда, и два, которые часто игнорируют. Первые - износ втулки малой головки шатуна и износ вкладышей шатунного подшипника, а вторые - величина изгиба и кручения шатуна. Тем не менее, как показывает практика, шатун - один из самых редко заменяемых элементов в двигателе.

Самая распространенная проблема с коленчатым валом - износ рабочих поверхностей, второе по «популярности» место занимают случаи проворота вкладышей. Случается это, когда отсутствует достаточное количество масла в месте контакта, из-за чего коленвал срывает вкладыши подшипников и начинает «весело» вращаться вместе с ними. Это по-настоящему тяжелый случай: при определенном невезении ремонт может стоить замены блока.

Износ упорных колец коленчатого вала - тоже проблема довольно неприятная, хоть и незначительная на первый взгляд. Дело здесь в том, что не выявленный вовремя дефект в будущем может привести к заклиниванию двигателя - ведь на коленвал во время работы действуют силы и в продольном направлении тоже. Достаточно сместить вал на критическое расстояние - и поршни от перекоса просто заклинит. Стоит заметить, что поломка самого «колена» тоже возможна, хоть для этого и придется постараться.

В самом блоке конструктивно ломаться практически нечему - но это не означает, что с ним не бывает проблем, очень даже наоборот. Самые распространенные - износ цилиндров или коробление контактной поверхности блока с головкой из-за перегрева. Особо нерадивые автовладельцы, впрочем, могут сломать и сам блок цилиндров. Для этого нужно лишь выполнить парочку нехитрых операций: первая - залить в систему охлаждения обычную воду (можно дистиллированную), а вторая - оставить автомобиль на улице на ночь при минус 20°С.

Что измеряют при капремонте

Прежде всего, после разборки измеряют наружный диаметр поршней в строго определенной плоскости (поперек оси пальца) и на заданном расстоянии от поверхности днища поршня. Производитель может изготовлять поршни в нескольких размерах: номинальном и ремонтных - эти данные приведены в технической документации. Если поршень в «номинале» (как это оказалось у нас), проверяют биение шатуна и пальца. Профессионал может засечь неладное, что называется, на ощупь - неопытному же механику придется все-таки выпрессовать палец из поршня и шатуна. После выпрессовки необходимо измерить наружный диаметр пальца и внутренние диаметры втулки шатуна и отверстий в поршне, путем несложной математики вычислить зазор в данной сборке и принять финальное решение об утилизации или дальнейшем применении этого комплекта.

Вооружившись набором плоских щупов, специалисты-механики измеряют зазор между кольцом и выборкой в поршне: если он превышен - поршень отправляется под замену. Так как мы проводим капитальный ремонт, замена колец даже не обсуждается - это само собой разумеющийся факт.

Практически закончив с подвижными элементами, переходим к блоку цилиндров, для обмера которого необходим так называемый нутромер. Это приспособление, предназначенное для измерения внутреннего диаметра с высокой точностью, которая обеспечивается индикатором часового типа. Внутренний диаметр измеряют на трех уровнях и в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: это необходимо для наиболее точного понимания величины и характера износа цилиндра. Характер износа в данном случае - величина бочкообразности и овальности цилиндра. Все дело в том, что нагрузка на цилиндр неравномерна, а, следовательно, неравномерен и его износ: ближе к центру величина износа будет расти, а затем снова уменьшаться. Из-за этого цилиндр в профильном разрезе слегка «округляется» и становится похожим на бочку. В свою очередь, поршень давит на цилиндр только в одном направлении, вырабатывая поверхность и превращая ее в овальную. Повторюсь, точность при работе с блоком должна быть предельной - никаких приблизительных размеров существовать просто не может: в технической документации обязательно есть цифры предельно допустимой бочкообразности и овальности цилиндров.

В конце концов, ревизии подвергается и коленчатый вал. У него измеряют диаметры коренных и шатунных шеек и, при необходимости, шлифуют до следующего ремонтного размера, если таковой предусмотрен. При помощи известного нам нутромера измеряются диаметры отверстий коренных опор (с установленными вкладышами, конечно). Затем, имея наружный диаметр шеек и внутренний диаметр опор, определяют масляный зазор: если он превышает допустимый, вкладыши отправляются под замену, а коленвал - на шлифовку. Кроме того, выше мы упоминали об осевом люфте коленвала - разумеется, при дефектовке измеряют и его, и если люфт завышен, заменяют упорные кольца коленвала.

Как ремонтируется блок

Если состояние цилиндров совсем не позволяет продолжить эксплуатацию блока, его отправляют на расточку цилиндров до следующего ремонтного размера. Бывает, что производитель , тогда блок «гильзуют» - восстанавливают гильзованием. Как несложно догадаться, в этом случае существующую гильзу значительно растачивают и впрессовывают в нее еще одну гильзу с внутренним диаметром номинального размера. Однако это решение - уже не очень надежное, и некоторые мастера предсказывают такому двигателю не более 50 тысяч километров потенциального пробега.

Если же блок растачивают, то, разумеется, и поршни с кольцами подбирают соответствующего размера. Шлифовка шеек коленчатого вала уменьшает их размер - а значит, и для них необходимо подобрать вкладыши следующего ремонтного размера. Работу облегчает то, что в техдокументации обычно присутствует размерная сетка подбора вкладышей.

Перед установкой поршней зеркало цилиндра подвергают хонингованию. Это процесс, который не изменяет размера цилиндра, но благодаря которому значительно уменьшается износ трущихся поверхностей. Хонингование - это нанесение небольших рисок на поверхность цилиндра с помощью специальных камней. Необходимо это для того, чтобы на поверхности цилиндра задерживалось моторное масло, увеличивая тем самым ресурс поршневой группы.

Ремонта блока цилиндров двигателя Mitsubishi 4М41

В нашем конкретном случае обошлось без сложных или интересных особенностей ремонта, так как замеры поршней, цилиндров и шеек коленчатого вала показали номинальные размеры.

Мнения наши разделились диаметрально: я немного расстроился, хозяин автомобиля - повеселел, а мастер… ему было все равно. Тем не менее, все мы очередной раз подивились стойкости данного мотора.

Перед разборкой блока и цилиндропоршневой группы мы сняли масляный поддон - и приступили к основной работе. Она свелась к извлечению поршней с шатунами из блока цилиндров. На всякий случай мы отметили номерами каждый поршень в соответствии с номером цилиндра.

1 / 5

2 / 5

3 / 5

4 / 5

5 / 5

После обмера поршней и цилиндров мы пришли к выводу, что коленчатый вал снимать смысла нет, так как биение отсутствует. Кольца все же заменили - да и то только потому, что они были предусмотрительно приобретены владельцем.

После измерения коробления поверхности блока цилиндров мастер со словами «Ну хоть что-то же надо с ним сделать?!», отправил его на хонинговку цилиндров, а все прочие элементы - на тщательную мойку. После этого начался процесс сборки КШМ (кривошипно-шатунного механизма).

В шатуны и их крышки были установлены новые вкладыши, на поршни установили новые кольца.

После выполнения всех вышеперечисленных операций мы нанесли на цилиндры свежее масло, установили на поршень специальное приспособление для обжима колец, четко сориентировали поршень относительно коленвала и блока, и легкими ударами рукояткой молотка установили шатунно-поршневую группу в блок.

Если бы мы разбирали шатунно-поршневую группу, то при ее сборке пришлось бы следить за правильной установкой шатуна относительно поршня - в противном случае может возникнуть чрезмерный износ шатунных шеек коленвала. Нельзя изменять и расположение поршня в цилиндре: это очень важно, так как ось пальца самую малость не совпадает с осью поршня. Если нарушить установку, со временем в двигателе может возникнуть стук. Установив все поршни в блок цилиндров, мы подвели шатуны к шейкам коленчатого вала, установили крышки шатунов и затянули гайки их крепления с определенным моментом затяжки.

Отдельно остановлюсь на подборе прокладки головки блока цилиндров: у всех современных дизельных двигателей необходимо подбирать прокладку ГБЦ по толщине. Толщина эта будет зависеть от величины выступания поршня над поверхностью блока цилиндров. Так, после сборки КШМ каждый из поршней поочередно выводят в ВМТ и с помощью индикатора часового типа на стойке измеряют выступание поршня. Замер выполняют в двух противоположных точках поршня, потом вычисляют среднее арифметическое и в зависимости от высоты выступания подбирают толщину прокладки. Это - весьма важный момент, не уделив должного внимания которому можно поплатиться скорым прогоранием прокладки.

После установки всех и вся в блок цилиндров, мы накрыли его снизу масляным поддоном, предварительно тщательно очистив оный, промыв и высушив. Непосредственно перед установкой поддона на его поверхность нанесли специальный герметик и в течение 15 минут после нанесения установили поддон на блок, затянув болты крепления с необходимым моментом затяжки.

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 цилиндров

Блок цилиндров или блок-картер является остовом двигателя. На нем и внутри него располагаются основные механизмы и детали систем двигателя. Блок цилиндров может быть отлит из серого чугуна (двигатели автомобилей ЗИЛ -130, MA3-5335, КамАЭ-5320) или из алюминиевого сплава (двигатели автомобилей ГАЗ -24 «Волга», ГАЭ -53А и др.). Горизонтальная перегородка делит блок цилиндров на верхнюю и нижнюю части. В верхней плоскости блока и в горизонтальной перегородке расточены отверстия для установки гильз цилиндров. В цилиндре, являющемся направляющей при движении поршня, совершается рабочий цикл двигателя. Гильзы могут быть мокрыми или сухими. Гильзу цилиндра называют мокрой, если она омывается жидкостью системы охлаждения, и сухой, если непосредственно не соприкасается с охлаждающей жидкостью.

Рис. 1. Блок цилиндров и головка блока V-образного двигателя: 1 - блок цилиндров; 2 - прокладка головки блока; 3 - камера сгорания; 4 - головка блока; 5 - гильза цилиндра; 6 - уплотнительное кольцо; 7 - шпильки

Цилиндры могут быть отлиты из серого чугуна вместе со стенками водяной рубашки в виде одного блока или в виде отдельных гильз, устанавливаемых в блок. Двигатели, имеющие цилиндры, изготовленные в виде сменных мокрых гильз, проще ремонтировать и эксплуатировать (двигатели автомобилей ГАЗ -24 «Волга», ГАЭ -53А, ЗИЛ -130, MA3-5335, КамАЗ-5320 и др.).

Внутренняя поверхность цилиндра, внутри которой перемещается поршень, называется зеркалом цилиндра. Ее тщательно обрабатывают для уменьшения трения при движении в цилиндре поршйя с кольцами и часто закаливают для повышения износостойкости и долговечности. Гильзы в блох цилиндров устанавливают так, чтобы охлаждающая жидкость не проникала в них и в поддон, а газы не прорывались из цилиндра. Необходимо предусмотреть и возможность изменения длины гильз в зависимости от температуры двигателя. В целях фиксации вертикального расположения гильз они имеют специальный бурт для упора в блок цилиндров и установочные пояса. Мокрые гильзы в нижней части уплотняют резиновыми кольцами, размещаемыми в канавках блока цилиндров (двигатели автомобиля КамАЭ-5320), в канавках гильз (двигатели автомобилей MA3-5335, ЗИЛ -130 и др.), или медными кольцевыми прокладками, устанавливаемыми между блоком и опорной поверхностью нижнего пояса гильзы (двигатели автомобилей ГАЗ -24 «Волга», ГАЭ -53А и др.). Верхний торец гильзы выступает над плоскостью блока цилиндров на 0,02-0,16 мм, что способствует лучшему обжатию прокладки головки блока и надежному уплотнению гильзы, блока и головки блока.

Рис. 2. Схемы цилиндров двигателей: а - без гильз, но с короткой вставкой (автомобилей ЗИЛ -157 К, ГАЗ -52-04); б и в - с «мокрой» гильзой (дизели ЯМЗ -2Э6 и автомобиля КамАЗ-5320); г - с «мокрой» гильзой, в которую запрессована короткая вставка (на автомобилях ГАЗ -24 «Волга», ГАЗ -5ЭА, ЗИЛ -130 и др.); 1 - блок цилиндров 2 г- водяная рубашка; 3 - вставка; 4, 5 к 6 - гильзы цилиндров; 7 - уплотнительные кольца (резиновые или медные, устанавливаемые под бурт)

Во время работы двигателя в верхней части цилиндров сгорает рабочая смесь. Горение сопровождается выделением продуктов окисления, которые вызывают коррозию цилиндров. Для повышения износостойкости цилиндров в некоторых двигателях применяют вставки из антикоррозионного чугуна. Их запрессовывают в блок цилиндров (двигатели автомобилей ЗИЛ -130К, ГАЗ -52-04) или в гильзы цилиндров (двигатели автомобилей ГАЗ -24 «Волга», ГАЗ -бЗА, ЗИЛ -130 и др.). Это усложняет технологию изготовления двигателя. В перспективе конструкторы предполагают использовать специальные металлы, что позволит отказаться от применения вставок в цилиндрах.

Поперечные вертикальные перегородки внутри блока цилиндров совместно с передней и задней стенками обеспечивают его необходимую прочность и жесткость. В этих перегородках, а также в передней и задней стенках блока расточены гнезда под верхние половины коренных подшипников коленчатого вала. Нижние половины коренных подшипников помещены в крышках, прикрепленных к блоку на шпильках или болтами.

В V-образных двигателях один из рядов блока цилиндров несколько смещен относительно другого, что вызвано расположением на шатунной шейке коленчатого вала двух шатунов: одного для правого, а другого - для левого блоков. Так, в V-образных двигателях автомобилей ГАЗ -53А левый блок цилиндров смещен вперед (по ходу автомобиля) на 24 мм, а автомобилей ЗИЛ -130 - на 29 мм относительно правого блока. Нумерация цилиндров указана вначале для правого блока цилиндров (по ходу автомобиля), а затем для левого: ближайший к вентилятору цилиндр имеет номер один и т. д.

Цилиндр с головкой служит пространством, где осуществляется рабочий процесс двигателя; стенки цилиндра направляют движение поршня.

Блоком цилиндров называется общая отливка, в которой располагаются цилиндры. У рядных двигателей имеется одна секция блока цилиндров, а у V-образных - две секции (правая и левая), объединяемые общим картером. Блок цилиндров изготовляется вместе с картером. Эта отливка, называемая блок-картером, служит для крепления и сборки всех механизмов и устройств двигателя.

Блок-картер отливается из чугуна или алюминиевого сплава.

В рядных двигателях при изготовлении блока из чугуна цилиндры отливаются вместе с блоком. Внутренняя рабочая поверхность цилиндров 6, тщательно обработанная и отшлифованная, называется зеркалом цилиндра. Между стенками цилиндров и наружными стенками блока имеется полость 8, которая заполняется водой, охлаждающей двигатель, и называется водяной рубашкой.

В случае отливки блок-картера из алюминиевого сплава, а также и при чугунном блоке у V-образных двигателей, цилиндры изготовляются в виде отдельных чугунных гильз, устанавливаемых в отверстия верхней и нижней перегородок блока. В блоке гильза закрепляется верхним или нижним буртом, входящим в выточки перегородок блока, и зажимается устанавливаемой сверху на блок головкой на прокладке.

Гильза непосредственно соприкасается с водой, циркулирующей в водяной рубашке, и называется «мокрой». В этом случае гильза надежно уплотняется в нижней перегородке блока с помощью медного или резинового кольца или нескольких резиновых колец, устанавливаемых внизу в выточках на гильзе.

В верхнюю часть цилиндров блока или гильз, наиболее подвергающихся воздействию высокой температуры и разъедающему действию отработавших газов, обычно запрессовывают короткие гильзы из специального износоустойчивого антикоррозионного чугуна для увеличения срока службы цилиндров двигателя.

При нижнем расположении клапанов с одной стороны блока рядного двигателя имеются впускные и выпускные каналы и гнезда, в которых устанавливаются клапаны. С этой же стороны блока размещена камера - клапанная коробка, в которой располагаются детали механизма газораспределения. Клапанная коробка закрывается одной или двумя крышками.

В случае верхнего расположения клапанов в боковой камере блока или обеих его секций при V-образной конструкции располагаются толкатели и штанги механизма газораспределения.

К передней части блок-картера крепится крышка распределительных шестерен, отливаемая из чугуна или алюминиевого сплава. К задней части блок-картера присоединен чугунный картер маховика. В передней и задней стенках блок-картера и внутренних его перегородках располагаются опоры коленчатого и распределительного валов.

Верхняя плоскость блока цилиндров или каждой его секции при V-образной конструкции тщательно обрабатывается и на нее устанавливается общая головка, закрывающая цилиндры сверху. В головке над цилиндрами сделаны углубления, образующие камеры сгорания, а также имеется водяная рубашка, сообщающаяся с водяной рубашкой блока. При верхнем расположении клапанов в головке цилиндров, кроме того, размещены седла клапанов и отлиты впускные и выпускные каналы. В головке имеются отверстия с резьбой для ввертывания свечей зажигания.

Головка цилиндров у карбюраторных двигателей отливается из алюминиевого сплава. Такая головка обладает высокой теплопроводностью, вследствие чего снижается температура рабочей смеси в цилиндрах двигателя в конце тактов сжатия. Это дает возможность повысить степень сжатия двигателя без появления детонационного сгорания топлива при работе двигателя.

Рис. 3. Формы камер сгорания двигателей

Головка цилиндров крепится к блоку гайками на шпильках или болтами. Между блоком и головкой установлена уплотняющая прокладка, устраняющая пропуск газов из цилиндров и протекание воды из водяной рубашки в месте стыка головки и блока. Прокладка изготовляется из асбестового картона, облицованного тонкой листовой сталью, или асбестового картона, пропитанного графитом с металлической окантовкой краев и отверстий. Снизу к фланцу картера двигателя крепится на уплотняющей прокладке болтами стальной штампованный поддон. Плоскость разъема картера совпадает с осью коленчатого вала или располагается ниже нее.

При нижнем одностороннем вертикальном расположении клапанов камера сгорания карбюраторного двигателя смещается в сторону

клапанов. Такая камера сгорания смещенного типа обеспечивает хорошее завихрение смеси при сжатии и наилучшие условия ее сгорания. Для сокращения длины I камеры сгорания и улучшения условий сгорания рабочей смеси, а также для уменьшения сопротивлений потоку смеси при впуске в цилиндр при такой камере обычно применяют наклонное к оси цилиндра расположение нижних клапанов.

При верхнем однорядном расположении клапанов камера сгорания в карбюраторных двигателях имеет обычно полуклиновую форму, обеспечивающую наилучшие условия для сгорания рабочей смеси. Полуклиновая камера сгорания вследствие простоты ее формы может быть вся подвергнута механической обработке. Это дает возможность обеспечить точное соблюдение величины объема камер сгорания во всех цилиндрах и повысить равномерность работы двигателя.

При обеих формах камеры сгорания часть ее поверхности (вытеснитель) близко расположена от днища поршня при положении его в в. м. т. Такие вытеснители способствуют лучшему распределению объема сжатой рабочей смеси и снижают возможность возникновения детонации при сгорании смеси.

При изготовлении блок-картера, головки и других деталей (крышки распределительных шестерен и т. п.) из алюминиевых сплавов значительно снижается общий вес двигателя. В случае применения съемных гильз легче изготовлять блок-картеры и удобнее ремонтировать цилиндры при их износе.

В дизелях давление газов при сгорании значительно выше, чем в карбюраторных двигателях, т. е. детали дизелей испытывают большие нагрузки, поэтому их делают более прочными и жесткими.

Блок цилиндров изготовляют из чугуна особенно прочным и жестким. Это достигается значительной толщиной стенок цилиндров и картера, наличием внутри картера большего количества ребер и смещением плоскости разъема картера значительно ниже оси коленчатого вала. Цилиндры двигателя снабжаются сухими (т. е. не соприкасающимися непосредственно с водой) гильзами, которые вставляют в расточенные цилиндры блока, или применяют мокрые вставные гильзы из специального чугуна. Головки цилиндров дизелей изготовляют из чугуна и также делают их более прочными и жесткими, чем у карбюраторных двигателей.

При большой степени сжатия для получения возможно малого объема камеры сгорания в дизелях применяют только верхнее расположение клапанов. В двигателях с непосредственным впрыском топлива (дизели ЯМЗ ) головка не имеет углублений над цилиндрами, а камера сгорания образуется соответствующим углублением в днище поршня.

К атегория: - Устройство и работа двигателя