Гражданское моторостроение – это очень консервативная отрасль. Все те же коленчатый вал, поршни, цилиндры, клапаны, как и 100 лет назад. Удивительные бесшатунные, аксиальные и другие схемы никак не хотят внедряться, доказывая свою непрактичность. Даже двигатель Ванкеля, большой прорыв шестидесятых, фактически остался в прошлом.
Все современные «новшества», если присмотреться, лишь внедрение гоночных технологий пятидесятилетней давности, приправленное дешевой в производстве электроникой для более точного управления «железяками». Прогресс в строительстве двигателей внутреннего сгорания – скорее в синергии небольших изменений, чем в глобальных прорывах.
И жаловаться-то вроде бы грех. Про надежность и ремонтопригодность в этот раз не будем, а мощость, чистота и экономичность современных двигателей для человека из семидесятых годов показались бы истинным чудом. А если отмотать еще несколько десятилетий?
Сотню лет назад моторы были еще карбюраторные, с зажиганием от магнето, обычно нижнеклапанные или даже с «автоматическим» впускным клапаном… И ни о каких наддувах еще и не думали. А еще старые-старые двигатели не имели детали, которая сейчас является главным его компонентом – блока цилиндров.
До внедрения блока
Первые моторы имели картер, цилиндр (или несколько цилиндров), но блока у них не было. Вы удивитесь, но основа конструкции – картер – частенько был негерметичным, поршни и шатуны были открыты всем ветрам, а смазывались из масленки капельным способом. Да и само слово «картер» сложно применимо к конструкции, сохраняющей взаимное положение коленчатого вала и цилиндра в виде ажурных кронштейнов.
У стационарных двигателей и судовых подобная схема сохраняется и по сей день, а автомобильные ДВС все же нуждались в большей герметичности. Дороги всегда были источником пыли, которая сильно вредит механизмам.
Первопроходцем в области «герметизации» считается компания De Dion-Bouton, которая в 1896 году запустила в серию мотор с цилиндрическим закрытым картером, внутри которого размещался кривошипно-шатунный механизм.
Правда, газораспределительный механизм с его кулачками и толкателями размещался еще открыто – это было сделано ради лучшего охлаждения и ремонта. Кстати, к 1900 году эта французская компания оказалась крупнейшим производителем машин и ДВС в мире, выпустив 3 200 моторов и 400 автомобилей, так что конструкция оказала сильное влияние на развитие моторостроения.
…и тут появляется Генри Форд
Первая массовая конструкция с цельным блоком цилиндров до сих пор остается одной из самых массовых машин в истории. Модель Ford T, появившаяся в 1908 году, имела четырехцилиндровый мотор, с чугунной головкой блока, нижними клапанами, чугунными поршнями и блоком цилиндров – опять же из чугуна. Объем мотора был вполне «взрослый» по тем временам, 2,9 литра, а мощность в 20 л. с. еще долго считали вполне достойным показателем.
Более дорогие и сложные конструкции в те годы щеголяли раздельными цилиндрами и картером, к которому они крепились. Головки цилиндров часто были индивидуальными, и вся конструкция из головки цилиндра и самого цилиндра крепилась к картеру шпильками. После появления тенденции к укрупнению узлов картер часто оставался отдельной деталью, но блоки по два-три цилиндра все еще были съемными.
В чем смысл разделения цилиндров?
Конструкция с отдельными съемными цилиндрами выглядит сейчас несколько необычно, но до Второй мировой войны, несмотря на нововведения Генри Форда, это была одна из наиболее распространенных схем. У авиационных моторов и двигателей воздушного охлаждения она сохранилась и поныне. А у «воздушного оппозитника» Porsche 911 series 993 вплоть до 1998 года никакого блока цилиндров не было. Так зачем же разделять цилиндры?
Цилиндр в виде отдельной детали – штука вообще-то достаточно удобная. Его можно сделать из стали или любого другого подходящего материала, например, бронзы или чугуна. Внутреннюю поверхность можно покрыть слоем хрома или никельсодержащих сплавов, при необходимости сделав ее очень твердой. А снаружи нарастить развитую рубашку для воздушного охлаждения. Механическая обработка сравнительно компактного узла будет точной даже на достаточно простых станках, а при хорошем расчете крепления тепловые деформации будут минимальны. Можно сделать гальваническую обработку поверхности, благо деталь небольшая. Если у такого цилиндра появился износ или другие повреждения, то его можно снять с картера мотора и поставить новый.
Минусов тоже хватает. Помимо более высокой цены и высоких требований к качеству сборки моторов с раздельными цилиндрами серьезным недостатком является низкая жесткость такой конструкции. А значит – повышенные нагрузки и износ поршневой группы. Да и с водяным охлаждением сочетать «принцип раздельности» получается не очень удобно.
Из мейнстрима моторы с раздельными цилиндрами ушли уже очень давно – минусы перевесили. К середине тридцатых годов в автомобилестроении подобные конструкции уже почти не встречались. Разнообразные комбинированные конструкции – например, с блоками из нескольких цилиндров, общим картером и головкой блока – попадались на мелкосерийных люксовых авто с объемными моторами (можно вспомнить подзабытую марку Delage), но к концу 30-х это все вымерло.
Победа цельночугунной конструкции
Привычная нам сегодня конструкция победила благодаря своей простоте и низкой стоимости изготовления. Большая отливка из дешевого и прочного материала после точной механообработки получается все равно дешевле и надежнее, чем отдельные цилиндры и тщательная сборка всей конструкции. А на нижнеклапанных моторах клапаны и распределительный вал располагаются тут же, в блоке, что еще больше упрощает конструкцию.
Рубашка системы охлаждения отливалась в виде полостей в блоке. Для особых случаев можно было применить и отдельные гильзы цилиндров, но мотор на Ford T таких изысков не имел. Чугунные поршни со стальными компрессионными кольцами работали прямо по чугунному цилиндру. И кстати, маслосъемное кольцо в привычном нам виде там отсутствовало, его роль выполняло нижнее третье компрессионное, расположенное ниже поршневого пальца.
Такая «цельночугуниевая» конструкция доказала свою надежность и технологичность за много лет производства. И была перенята у Форда такими массовыми производителями, как GM, на долгие последующие годы.
Правда, отливка блоков с большим числом цилиндров оказалась технологически сложной задачей, и многие моторы имели по два-три полублока с несколькими цилиндрами в каждом. Так, рядные «шестерки» тридцатых годов иногда имели два трехцилиндровых полублока, а уж рядные «восьмерки» и подавно изготавливали по такой схеме. Например, мощнейший мотор Duesenberg Model J был изготовлен именно так: два полублока были накрыты единой головкой.
Впрочем, к началу сороковых годов прогресс позволил создавать и цельные блоки такой длины. Например, блок Chevrolet Straight-8 «Flathead» был уже цельным, что снижало нагрузку на коленчатый вал.
Чугунные гильзы в чугунном же блоке тоже были достаточно удачным решением. Высокопрочный легированный химически стойкий чугун стоил дороже обычного, и отливать из него весь большой блок не имело смысла. А вот сравнительно небольшая «мокрая» или «сухая» гильза оказалась хорошим вариантом.
Освоенная в довоенные еще годы принципиальная конструкция моторов не меняется много десятилетий подряд. Блоки цилиндров многих современных моторов отлиты из серого чугуна, иногда со вставками из высокопрочного в зоне верхней мертвой точки. Например, чугунный блок имеет вполне современный Renault Kaptur с мотором F4R, об обслуживании которого мы писали на днях. Чугун хорош, в частности, тем, что блок из него легко поддается капремонту расточкой цилиндров большего диаметра. Если, конечно, производитель выпускает поршни «ремонтного» размера.
Правда, с годами блоки становятся все более «ажурными» и менее массивными. По ранним блокам цифры найти сложно, но давайте возьмем два семейства моторов с разницей чуть более чем в 10 лет. У блока серии GM Gen II середины 90-х толщина стенки моторов колебалась от 5 до 9 мм. У современного VW EA888 конца 2000-х – уже от 3 до 5. Но мы явно забегаем вперед…
Делаем блок легче
Утончение стенок, чем вовсю занимаются конструкторы в последние годы – это, как вы понимаете, не единственный способ снизить вес блока. В 20-30-е годы о экономии массы и топлива думали существенно меньше, чем сейчас, но первые попытки облегчения делались. И уже тогда додумались использовать алюминий.
На гоночных и спортивных машинах той эпохи можно было встретить симбиоз из алюминиевого картера и головки блока с чугунной отливкой блоков цилиндров. Затем прогресс в металлообработке позволил создать более удобный вариант подобного симбиоза. Блок цилиндров оставался цельным, но отливался из алюминия, что снижало его массу в три-четыре раза, в том числе и за счет лучших литьевых качеств металла. Сами же цилиндры изготавливали в виде чугунных гильз, которые запрессовывали в блок.
Гильзы делились на «сухие» и «мокрые», разница в общем-то понятна из названия. В блоках с сухой гильзой она вставлялась в алюминиевый цилиндр (или вокруг нее отливался блок) с натягом, а «мокрая» гильза просто закреплялась в блоке нижним концом, а при установке ГБЦ полость вокруг превращалась в рубашку охлаждения. Второй вариант оказался перспективнее на тот момент, поскольку упрощал отливку и снижал массу деталей. Но в дальнейшем рост требований к жесткости конструкции, а также сложность сборки подобных двигателей оставили эту технологию «за бортом» прогресса.
Сухие же гильзы в алюминиевом блоке – это и сейчас самый распространенный вариант изготовления детали. И один из самых удачных, ведь чугунная гильза изготавливается из высококачественного легированного чугуна, алюминиевый блок жесткий и легкий. К тому же теоретически эта конструкция еще и ремонтопригодна, как и чугунные блоки. Ведь изношенную гильзу можно «вынуть» и запрессовать новую.
Что дальше?
Единственная принципиально новая технология последних лет – это еще более легкие блоки с напылением сверхпрочного и сверхтонкого слоя на внутреннюю поверхность цилиндров. Подробно о плюсах и минусах, и даже о способах капремонта подобных конструкций я уже писал – повторяться смысла нет. Концептуально мы имеем все тот же ДВС образца 30-х годов. И есть все основания полагать, что до конца «эры внутреннего сгорания», когда доведут до ума электромобили, моторы на жидких углеводородах останутся примерно такими же.
Для комментирования вам необходимо авторизоваться