Blok válců je hlavní částí klikového mechanismu ( KShM ) dvou a víceválcového pístového spalovacího motoru . Jedná se o jednodílný odlitek, který kombinuje válce motoru. Obvykle se odlévá z litiny , méně často z litého hliníku nebo slitin hořčíku [1] . Na bloku válců jsou základní plochy pro montáž zalomeného hřídele . Hlava válců je připevněna k horní části bloku, spodní část tvoří horní část klikové skříně . Blok válců je tedy hlavní tělesná část motoru, ke které jsou tak či onak připojeny jeho další jednotky a komponenty [2] . Skříň spojky u některých motorů je dodávána se sadou a je zpracována společně a v tomto případě (jako víka hlavních ložisek ) by neměla být během oprav odosobněna [3] .
Blok válců se používá u kapalinou chlazených motorů a dutiny bloku tvoří chladicí plášť. U vzduchem chlazených motorů neposkytuje výroba válců v jednom bloku významné výhody, a proto se téměř nepoužívá .
Po nástupu pístových motorů, aby se zlepšila rovnoměrnost otáčení, ukazatele hmotnosti a velikosti, zvýšila účinnost (jiskra) a snížily vibrace , byly vytvořeny víceválcové konstrukce [4] . U prvních motorů byla kvůli technologickým potížím kliková skříň přišroubována, často tam byly samostatné válce, chladicí pláště, vodní a olejové potrubí.
S rozvojem technologií odlévání a obrábění (tedy snižováním pravděpodobnosti sňatku takto složitého dílu) blok válců kombinoval horní část klikové skříně a všechny válce [5] . Snížil se tak počet dílů, jejich celková hmotnost a zvýšila se tuhost (což umožňuje např. přinutit motory k posílení ) . Nyní lze ve službě nebo mezi řidiči slyšet taková jména jako "blok motoru", "blok válců", "blok" a všechna se vztahují k této jediné části. Bloková kliková skříň je díl, který spojuje blok a všechny stěny klikové skříně (často se jedná o tunelovou blokovou klikovou skříň ), ale také se obvykle nazývá stejně [6] .
Přepravní potíže si však stále vynucují výrobu velkých lodních motorů s oddělenou klikovou skříní, samostatnými válci a samostatnými hlavami. Hlavní lodní dieselové motory jsou tak velké a těžké (až 600..800 tun [7] ), že jsou přepravovány po železnici po částech a montovány jeřábem na místě. Jejich bloky a klikové skříně mají z provozních důvodů četné údržbové a kontrolní poklopy [7] , dokonce i hlavy válců mohou mít odnímatelné ventily se sedlem .
V závislosti na zvolené litrové hmotnosti (kg / l pracovního objemu ), požadovaných výkonových charakteristikách, účelu, návaznosti a vyrobitelnosti konstrukce při návrhu se volí jedna z možností uspořádání (uspořádání válců) a také materiál blok válců [8] .
Válce pracují za podmínek proměnných tlaků v dutině nad pístem. Jejich vnitřní stěny jsou v kontaktu s plameny a horkými plyny zahřátými na teplotu 1500–2500 °C. Průměrná rychlost posuvu pístních kroužků po stěnách válců automobilových motorů dosahuje 12-15 m/s nebo více (závodní). Proto materiál použitý k výrobě bloku válců musí mít vysokou mechanickou pevnost a samotná konstrukce stěny musí mít dostatečnou tuhost. Stěny válců musí odolávat oděru s omezeným mazáním a mají celkově vysokou odolnost vůči jiným typům opotřebení (abrazivní, korozivní a některé typy eroze), které snižují životnost válců . K tomu všemu musí mít materiály používané pro výrobu válců dobré odlévací vlastnosti a musí být snadno obrobitelné.
Pokud neexistují přísná omezení hmotnosti (stacionární, lodní, traktorové motory), pak je materiálem bloku šedá perlitická (méně tvárná ) litina. Pokud je požadováno snížení hmotnosti (motory vozidel), pak mohou být opodstatněné lehké hliníkové nebo (méně často) slitiny hořčíku (u vozidel s rekuperací brzdné energie, jako jsou hybridní automobily , má snížení hmotnosti menší vliv na spotřebu paliva). Nejdůležitější je maximální odlehčení bloku válců (a dalších dílů) u pístových leteckých motorů, zde mají ekonomicky opodstatnění nejvíce vysoce legované oceli, lehké kovy, kompozity. Při přípustné litrové hmotnosti 80-100 kg/l se obvykle používá litina [9] .
LitinaVýhody šedé litiny jsou [10] :
Hlavní nevýhodou litin je jejich velká hmotnost (hustota je 2,7krát vyšší) a nižší tepelná vodivost . Oceli na odlévání se nepoužívají pro odlévání bloků, protože jejich odlévací vlastnosti jsou horší a tloušťka stěny a hmotnost jsou určeny tuhostí odlitku, a nikoli charakteristikami konečné pevnosti. Navíc tlumení ocelí je horší.
V posledních desetiletích se pro zvýšení tvrdosti válce litinových bloků (nebo jen pouzdra) podrobují laserovému bělení: paprsek prochází spirálou po povrchu a v tenké vrstvě se šedá litina roztaví na bílou. Bílá litina má vysokou tvrdost, ale omezená tloušťka a vysoká tvrdost vrstvy znesnadňují opravu vyvrtávací operace [11] .
V případě výroby bezobjímkového bloku je značkový podle průměru vrtání válce. Typicky jsou bloky rozděleny podle velikosti po 0,01 mm. To je nutné pro nastavení pístů na příslušnou odchylku ve výrobě a zaručuje malou montážní vůli píst-válec specifikovanou v návodu. Nejčastěji se branding s písmenem (A, B, C, D, E) nachází na spodní rovině bloku domácích motorů [12] . Po nudě to samozřejmě ztrácí smysl.
Hliníková slitinaHliníkové slitiny (obsahující křemík) jsou mnohem dražší, ale mohou snížit hmotnost motoru. Tuhost (a schopnost síly) je omezená, zejména při použití vkládacích objímek na spodní straně (natahují blok). Tyto slitiny mají řadu vlastností, které je třeba vzít v úvahu při výrobě a provozu bloků [13] :
V 80. letech byly do hliníkového bloku zalisovány tenkostěnné „suché“ litinové manžety obklopené hliníkem. Takové motory jsou zcela běžné [15] . Ale protože koeficienty tepelné roztažnosti litiny a hliníku nejsou stejné, vyžaduje to opatření, která zabrání odlomení pouzdra od bloku při zahřátí motoru a potenciálně sníží jeho životnost.
Hliníkové bloky, kromě litinových vložkových objímek, mohou být chromované , potažené nikasilem , alusilem , nebo mohou mít vkládací objímky z alusilu. Ve všech těchto případech se hmotnost sníží, ale oprava je obtížná.
U motoru Chevrolet Vega z roku 1971 byl blok odlit ze slitiny obsahující až 17 % křemíku (obchodní název Silumal), ale zkušenost byla neúspěšná: jakákoliv oděrka na zrcátku válce se mu stala osudnou, a proto se motor ukázal být velmi citlivý na kvalitu maziv a přehřátí a často zcela selhal mnohem dříve, než je uvedeno období v důsledku opotřebení stěn válců, jejichž obnova byla mimo tovární podmínky nemožná. To způsobilo skandál a milionové ztráty pro GM . Technologii zdokonalenou v 80. a 90. letech využívaly evropské společnosti Mercedes-Benz , BMW , Porsche , Audi .
Alternativní technologie Nicasil - niklový povlak na hliníkových stěnách válců s naprašováním krystalů karbidu křemíku , se používal v 60. a 70. letech pro drahé motory sportovních vozů , zejména pro motory používané ve Formuli 1. . Z moderních motorů takové bloky měly motory BMW M60 a M52 a jejich prodej v některých zemích provázel skandál - Nikasil byl zničen reakcí s některými palivy obsahujícími vysokou koncentraci síry (což je typické zejména pro některé regiony USA a Ruska ) [16] . Hlavní nevýhodou "nikasilu" je, že tenký niklový povlak se snadno poškodí, například když praskne ojnice nebo vyhoří píst , a blok nelze obnovit.
Relativně nedávno vyvinula také německá společnost Kolbenschmidt technologii, při které jsou hotové hliníkovo-křemíkové návleky zalisovány do běžného hliníkového bloku se zesílenými stěnami se zvýšeným (až 27 %) obsahem křemíku (technologie Locasil), což snižuje náklady a částečně řeší problém udržovatelnosti. Všechny možnosti kromě poslední neumožňují broušení bloku.
Hořčík a dalšíBloky z hořčíkové slitiny mohou dále snížit hmotnost bloku než použití hliníku. Největší účinnosti z toho dosahují výkonné benzínové motory vysokorychlostních automobilů [17] [18] . Ale hořčíkové odlévané slitiny jsou téměř stejně drahé jako hliníkové slitiny, technologicky obtížnější a mechanické vlastnosti hořčíku jsou poněkud horší (nižší tažnost má za následek snížení únavové pevnosti proti hliníkovým slitinám). To vám umožní přibrat na váze především u vysoce specializovaných sportovních motorů [19] . Výjimkou je motor Záporožec s klikovou skříní z letecké hořčíkové slitiny ML-5 (a samostatnými litinovými válci), motorová pila Družba-4. Tvrdost a odolnost proti korozi slitin hořčíku je obvykle nižší než u slitin s převahou hliníku. Ocelové spojovací prvky nelze ani přímo přišroubovat do hořčíkového bloku - pouze pomocí hliníkových šroubů nebo pomocí hliníkových šroubů [20] . Slitiny hořčíku však mají velmi vysoké tlumení [21] , a proto jsou tyto motory tišší.
Bloky z lehkých slitin jsou estetičtější a působí dojmem vysoké kultury výroby. Hliníkové i hořčíkové bloky mají při použití litých vložek nebo tvrdého povlaku (Alusil, Nikasil) koeficienty roztažnosti téměř stejné jako u pístu, proto může být montážní vůle pístu menší. Při zahřátí motoru s hliníkovým blokem se ocelová ojnice méně prodlužuje, takže kompresní poměr oproti studenému motoru poněkud klesá, což je také výhodný rozdíl.
Americká firma Crosley vyráběla motory CoBra (Copper Brazed = „pájení měděnou pájkou“) s blokem válců z lisovaného plechu spojeným pájením měděnou pájkou. Tyto motory byly původně používány jako generátory v letectví a námořnictvu a za takových podmínek měly přijatelný motorový zdroj, při použití v malém osobním automobilu se však ukázaly jako nespolehlivé, a proto byly nahrazeny motory s konvenčním litinový blok.
Byly provedeny experimenty s cílem vytvořit plastový motor s vyztužením aramidem [22] .
Na úsvitu automobilismu mohly být použity i bronzové bloky válců [23] , vzhledem k vysoké vyrobitelnosti této slitiny při odlévání.
Rozložení bloku je určeno zvoleným uspořádáním válců. In-line uspořádání je technologicky nejjednodušší, dává poměrně těžký blok, ale nuda není náročná. Možnosti klikového hřídele - plné uložení a částečné uložení [24] , montáž na kuličková ložiska nebo vložky [25] . Blok může mít průchody pro kapalinu mezi válci nebo (zřídka, na malých) je nemá. V druhém případě se ušetří velikost a hmotnost. Řadové uspořádání válců je nejběžnější u velkých lodních dieselových motorů, kde je snadnější montáž a údržba důležitější než litrová hmotnost.
Motor ve tvaru V má dvě verze bloku - s posunutím levého a pravého bloku mezi sebou (sousední ojnice na krku), nebo bez zdvihu (vlečená ojnice, nestejné kompresní poměry na levém a pravém bloku) . Hlavní ložiska jsou také kluzná nebo valivá. Tyto první dvě možnosti (in-line a ve tvaru V) jsou v automobilovém průmyslu velmi rozšířené . Mimo jiné požadavky je pro víceblokové motory obtížnější splnit podmínku plného vyvážení motoru pro počet válců menší než 12, zatímco řadový 6válcový motor je plně vyvážený [26] . Blok „obráceného“ motoru Junkers V se zásadně příliš nelišil, jeho hlavní rozdíly byly v připojených částech (takové motory se hojně používaly v pístovém letectví).
Motory ve tvaru W a hvězdy [27] dávají ještě kompaktnější blok a krátkou hřídel, což snižuje hmotnost bloku motoru, ale má menší tuhost než první dvě možnosti a je obtížné je opravit. Byly široce používány, než byly nahrazeny plynovými turbínami ve vznášedlech , loveckých člunech (hraničních), vrtulových letadlech . Hvězdicový tvar se stále používá na některých typech vrtulníků . Pro udržení požadované úrovně spolehlivosti vyžadují vysokou kulturu výroby a pracnou údržbu/opravy. Náklady na takové motory jsou poměrně vysoké.
Ve všech případech jsou rozměry bloku určeny třemi veličinami – průměrem válce, zdvihem pístu a počtem válců. Blok je složitý díl, u kterého se střídá komplexní zatížení s tepelným zatížením, proto jej lze vypočítat pouze přibližně. Po vyrobení nové verze bloku válců je podroben dlouhým testům na motorovém stojanu, aby se našly a odstranily konstrukční slabiny, včetně použití tenzometrů. Blok válců musí mít dostatečnou (vysokou) tuhost, aby nedocházelo k nepřijatelné ovalizaci válců a odírání pístu. Důležitá je také tuhost klikové skříně, která zajišťuje spolehlivý chod bez odření rámových (hlavních) ložisek a také dostatečnou dovolenou před vrtáním ložisek, aby nedocházelo k nesouososti při případném zborcení bloku.
Průměr a počet válců jsou buď určeny zákazníkem (návaznost návrhu, vynucení a ladění), nebo vypočteny z výsledků tepelného výpočtu a upřesněny během procesu ladění. Motorové testy obvykle identifikují a odstraňují slabá místa bloku válců. Pro zvýšení tuhosti sestavy bloku válců s klikovou skříní je osa konektoru klikové skříně provedena pod osou hřídele; v některých případech je rámová konstrukce ložisek použita i na motorech automobilů (Mitsubishi Mini Cab, motor 0,8L).
Následující povrchy bloků jsou zpracovány nejčistěji a nejpřesněji: lože hlavního ložiska, otvor vačkového hřídele (nebo pouzdra vačkového hřídele), dosedací plochy vložky (pokud existují), povrch válce, rovina nebo roviny spojení s hlavami bloku. Čistota a rovnoměrnost těchto povrchů je při montáži velmi důležitá, i malý ulpívající kousek těsnění (rez, promáčklina, prasklina ) může vést k průniku oleje, nemrznoucí kapaliny nebo plynů v tomto místě a zmařit pečovatelovu dlouhou práci. Proto jsou letadla zvlášť pečlivě kontrolována a čištěna a lůžka a pouzdra jsou kontrolována vnitřním měřidlem na velikost a nekulatost (s utaženými třmeny). Pokud dojde k poškození letadel, je potřeba je nejčastěji obrousit [28] , při montáži bude nutné počítat se změnou velikosti (např. zvětšení vysunutí pístu) a provést potřebná opatření (např. , seřízněte písty).
Typ chlazeníHlavními možnostmi jsou vodní a vzduchové chlazení [29] . Olej se používá pro některé motory speciální konstrukce se zvýšenou účinností, provozované na rostlinné oleje. Nejčastěji se používá vodní chlazení (nemrznoucí směs), umožňující větší volnost v umístění výstupu teplého vzduchu (včetně využití pro vytápění interiéru v zimě). Přepravní motory na strojích pohybujících se vysokou rychlostí snadno odvádějí teplo v chladiči pomocí přicházejícího proudu vzduchu. Vzhledem k tomu, že s rostoucím výkonem motoru se zvyšuje i rychlost foukání chladiče, jsou tyto charakteristiky sladěny.
Chlazení vzduchem vyžaduje žebrované válce, které jsou u takových motorů téměř vždy oddělené. Výhodou je mechanická jednoduchost a snížení hmotnosti, rychlý výstup motoru do provozního tepelného režimu. Úkol udržet optimální tepelný režim v širokém rozsahu zatížení a teplot vstupního vzduchu se však komplikuje. Navíc je takový motor hlučnější („zvonek“), protože hluk spalování přes tenké stěny pouzdra přenáší vibrace na vysoká chladicí žebra. Proto tato možnost chlazení v autech již není populární, ale nachází se ve stacionárních motorech, kultivátorech , sekačkách na trávu , traktorech a motocyklech ; měl nejširší uplatnění v leteckých pístových motorech.
Při chlazení vodou může mít blok vkládací pouzdra nebo může být vyroben z jednoho kusu, to znamená, že otvory jsou vyvrtány v samotném odlitku bloku. První možnost je běžnější u malých, zejména in-line bloků. Vodní kanály mohou běžet v sérii od válce k válci (malé nebo starší modely) nebo paralelně. V druhém případě je rozvod vody zajištěn kanálky v hlavě (hlavách) válců [30] .
Moderní bloky mají na rozdíl od starých provedení malou výšku chladicího pláště, 50-60% délky rukávu. To snižuje objem kapaliny (urychluje ohřev) a je dostačující pro udržení tepelného režimu válce (protože přenos tepla ve spodní části objímky je relativně malý).
Typ mazáníZvolený typ mazání – rozstřikovací, centrální nebo individuální tlak – určuje umístění olejových otvorů, otvorů v loži a klikové hřídele. Individuální podtlak (s přívodem oleje do každého lože) je nejčastější, centrál se stále používá na zastaralých dieselových motorech ( UTD-20 , 7D6 , 7D12 ).
Přítomnost odnímatelných rukávůMá své klady i zápory. Oprava se přitom vždy urychlí, protože vrtání je nahrazeno jednoduchou výměnou objímky, nejsou potřeba opravné rozměry, při výrobě je menší odchylka tloušťky válce, zjednodušuje se odlévání bloku, v pouzdrech je možné použít kvalitnější litinu než v bloku z šedé litiny. Některé bezlinkové motory mají kvalitní litinovou vložku v horní části válce jako levnější řešení problému se zdroji.
Instalace manžet však zvyšuje náklady a částečně snižuje spolehlivost (průchod kapaliny spodním těsněním). Navíc je takový blok vždy těžší, protože návlek pracuje v tlaku a blok je natažen (zavírání na delší sílu). Když je objímka umístěna nahoře, hmotnost se snižuje. Zvyšuje se i objem mechanického zpracování [31] . Středně velké zahraniční diesely mají nejčastěji vložku umístěnou uprostřed, aby se odpovídajícím způsobem snížila výška chladicího pláště a snížila hmotnost ve srovnání s variantou se spodní částí. Odnímatelné manžety mají obvykle 2 až 3 těsnící kroužky a v zahraniční praxi je spodní kroužek často pojistný kroužek a před ním je vrtání pro výstup nemrznoucí směsi. Pokud dojde k netěsnosti při vrtání, znamená to, že horní kroužky ztratily svou elasticitu (přehřátí) a motor potřebuje opravu. Tato konstrukce eliminuje vnikání nemrznoucí směsi do oleje s možným odíráním klikové hřídele, a proto je velmi úspěšná.
Při běžném provozu je pozorováno postupné opotřebení povrchu válce. Pokud blok válců nemá vyměnitelné vložky, je po dosažení limitní velikosti vyvrtán na další opravný rozměr s montáží odpovídajícího pístu. Nasazením kroužků příští opravy s jejich seřízením je možné vrtání na určitou dobu zatlačit, ale možná se budete muset smířit s klepáním studených pístů a mírně zvýšenou spotřebou oleje. Pokud má blok vyměnitelné vložky, pak je třeba je nahradit kroužky a (obvykle) písty [32] .
Důležité : při instalaci kroužků do nevrtaného bloku je třeba nastavit mezeru v zámku ne v horní části, kde je větší opotřebení, ale ve spodní části. Není třeba kontrolovat nenošený horní pásek, protože kroužky na něj nedosahují. Přesto je užitečné tento pás očistit od sazí pomocí „nuly“, aby se usnadnila montáž kroužků.
Všechny ostatní poruchy bloku válců jsou způsobeny nesprávným provozem nebo továrními závadami. Při rozmrazování bloku jeho plášť na vnější straně praská a je nutné jej svařit argonem (hliníková slitina), připájet mosazí nebo slepit epoxidovým lepidlem (litinový blok). Trhliny vzniklé na nekritických místech lze svařit (litina - elektrodou s černým fixem, hliník - svařením argonem), zkorodovaná místa pod objímkami lze svařit a vyvrtat.
Tovární vady mohou mít dvě příčiny: konstrukční chyby vedoucí k systematické destrukci (praskliny) u velkého procenta bloků a vady na dopravníku. Například po odlití (ale před obráběním) musí obrobek projít přirozenou nebo umělou relaxací napětí. Když se v souvislosti s reformami v AvtoVAZ zkrátil skladovací cyklus, došlo k masivnímu vyřazení (deformování) bloků po obrábění. Proto bylo nutné zavést držení odlitků při teplotě pro relaxaci napětí. Jsou možné takové typy sňatku, jako je netěsnost pláště (praskliny, píštěle), výstupy defektů na povrchu válce, rozměrové odchylky, deformace. V některých případech lze takové tovární manželství eliminovat.
V případě záměny poklopů hlavních ložisek může být nutné lůžka vyvrtat - po usazení víka o požadovanou hodnotu 2-4 mm a pečlivém založení lůžek se vyvrtají vyvrtávací tyčí. Totéž se provádí po soustružení břitových destiček, pokud je blok drahý a je k dispozici dobré strojní vybavení.
V případě vytažení závitového čepu z bloku se odvrtá ulomený kus (pokud zůstane), poté se vyřízne zvětšený závit a zašroubuje se opravný čep. Takové potíže se nejčastěji vyskytují u hliníkových bloků. V případě poškození plynového spoje v bloku se suchou manžetou se povrch brousí až do odstranění závady. Zároveň je nutné při montáži kontrolovat vyčnívání pístů nad rovinu - při překročení normy bude nutné písty nabrousit, aby nedošlo ke kolizi s hlavou. S ohledem na rozmanitost provedení bloků by se obecně mělo spoléhat na pokyny pro opravu příslušného motoru.