Материал блока цилиндров
Традиционно блоки цилиндров грузовиков и автобусов изготавливались из серого чугуна, обычно легированного хотя бы небольшим количеством кремния для уменьшения хрупкости материала. Как упоминалось ранее, в большинстве шоссейных дизельных двигателей среднего и большого диаметра используются гильзы цилиндров, а это означает, что основной материал блока цилиндров не подвергается непосредственному воздействию давления и температуры в цилиндре двигателя. В последнее время наметилась тенденция к значительному увеличению давления в цилиндрах при производстве более легких двигателей. Это привело к появлению современных отливок блоков цилиндров с малым-весом и высокой-прочностью. Сравнивая соотношение веса-к-мощности сегодняшних двигателей с двигателями 1980-х годов: мощность, вырабатываемая на фунт веса двигателя в современных двигателях, часто вдвое превышает мощность их предшественников -, по крайней мере, без учета веса всего оборудования по контролю выбросов на современных двигателях. В настоящее время большинство производителей дизельных двигателей (OEM) используют чугун с компактным графитом (CGI) при производстве блоков цилиндров, поскольку он легкий и может выдерживать гораздо более высокие нагрузки.
Блоки цилиндров из уплотненного графитового чугуна (CGI)
Блоки цилиндров из уплотненного графита (CGI) стали ключевым фактором в снижении веса двигателя за последнее десятилетие. Современные дизельные двигатели большой-мощности часто легче двигателей предыдущего поколения, которые производили лишь половину мощности. Почти все производители оригинального оборудования (OEM) используют блоки цилиндров CGI для своих двигателей большой мощности. К преимуществам CGI относятся:
• На 70 % легче аналогичных блоков цилиндров из серого чугуна.
• Предел усталости на 200 % выше, чем у серого чугуна.
• На 40 % жестче серого чугуна.
Плазменная проволочная дуга
Раньше компания Caterpillar использовала плазменную проволочную дугу (PTWA) в качестве метода ремонта чугунных гильз цилиндров дизельных двигателей, но теперь эта технология используется, чтобы в дизельных двигателях малой и средней-мощности можно было использовать блоки цилиндров из алюминиевого сплава без гильз цилиндров. Процесс PTWA обеспечивает высокую износостойкость-и термостойкость-поверхностей на подложках из железа- или алюминиевых сплавов. В этом процессе используется сжатый воздух и электричество для создания плазменной струи с температурой до 35 000°F (19 500°C), в которую через вращающуюся пушку подается проволока. При этом проволока разбивается на капли размером около 25 микрон, которые на молекулярном уровне связываются со стенкой гильзы цилиндра. По мере окисления расплавленной проволоки образуется кристаллическая структура, называемая вюститом, а толщина окончательного плакирующего слоя составляет около 150 микрон. При использовании PTWA на блоках цилиндров из алюминиевого сплава целевую поверхность необходимо предварительно-обработать. Процесс PTWA часто называют плакированием. Без специального оборудования ремонт плакированных блоков цилиндров невозможен.
Функции блока цилиндров
Несмотря на некоторые различия между производителями, блоки цилиндров дизельных двигателей должны выполнять некоторые или все из следующих функций:
• Обеспечьте отверстия в цилиндрах для поршневых узлов.
• Обеспечьте отверстия для коренных подшипников коленчатого вала.
• Обеспечьте каналы для охлаждающей жидкости/водяные рубашки.
• Обеспечьте каналы для смазочного масла/масляные галереи.
• Обеспечьте места для установки других компонентов двигателя.
Блоки цилиндров могут содержать продольные отверстия для установки распределительных валов. На рис. 9-2 показаны вышеупомянутые отверстия и проходы. На Рисунке 9-3 показано расположение расширительных или чашеобразных пробок-образных пробок в типичном шестицилиндровом блоке двигателя. Обычно они устанавливаются с небольшим натягом и фиксируются с помощью клея средней прочности, например Loctite Blue.
Интегральный диаметр цилиндра
В большинстве автомобильных и малоцилиндровых-дизельных двигателей используются цельные блоки цилиндров или блоки цилиндров без гильз. Их реже используют в коммерческих дизельных двигателях, особенно в двигателях большого-диаметра. Когда-то в двигателях среднего-диаметра цилиндров использовались цельные отверстия цилиндров; их насмешливо называли одно-блоками времени. Это произошло потому, что во время ремонта было сложно расточить отверстия для установки гильз цилиндров из-за близкого расположения отверстий цилиндров друг к другу. Однако с появлением индукционной закалки блоков цилиндров на основе железа- и специализированных процессов наплавки, таких как вышеупомянутый PTWA, ситуация изменилась. Старые двигатели серий Cat 3208, Cummins ISB и MB-900 (выпускавшиеся до 2010 г.) являются примерами двигателей с блоками цилиндров без гильз цилиндров. Первоначальная экономия средств, достигнутая за счет изготовления блока цилиндров такой конструкции, может быть компенсирована во время капитального ремонта двигателя, когда блок цилиндров необходимо заменить, расточить и установить гильзы цилиндров или отправить обратно на завод для ремонта. Преимущества двигателей без гильз цилиндров следующие:
• Более низкая первоначальная стоимость
• Отсутствие риска повреждения уплотнительного кольца гильзы цилиндра.-
• Нет необходимости соблюдать требования к выступанию гильзы цилиндра при повторной сборке.
Индукционная-отверстие цилиндра без гильзы цилиндра
В конце 1990-х годов компания Freightliner/Mercedes-Benz представила двигатель без гильз цилиндров с индукционной-закалкой отверстий цилиндров. Четырех-и шести-цилиндровые двигатели серии MB-900 отличались уникальной технологией, усиленной индукцией спиральных бороздок-в зоне продувки верхнего кольца. По сравнению с другими двигателями без гильз цилиндров это значительно продлило срок службы отверстий цилиндров. Если отверстия цилиндров изнашиваются за пределами допуска, их можно-расточить и установить на них гильзы цилиндров. Компания Mercedes-Benz рекомендовала, чтобы расточку-и установку гильз цилиндров на этих двигателях выполнял только производитель. Этот двигатель имел большой успех как на-дорожной, так и на-внедорожной технике, но после 2010 модельного года больше не использовался в дорожной технике. Тем не менее, спустя десять лет большое количество таких двигателей все еще используется.
Облицовка PTWA без гильзы цилиндра
Кратко описанный ранее процесс PTWA уже много лет используется как метод ремонта чугунных блоков цилиндров без гильз, но эта технология также применима для плакирования отверстий цилиндров блоков цилиндров из алюминиевых сплавов. Поскольку производители оригинального оборудования (OEM) продолжают стремиться к снижению веса дизельных двигателей, в дизельных двигателях малой-мощности используются блоки цилиндров из алюминиевого сплава с PTWA-покрытыми отверстиями, и, возможно, появление их в дизельных двигателях большой-мощности может стать лишь вопросом времени.
Мокрая гильза цилиндра
Конструкция блока цилиндров позволяет водяной рубашке находиться в прямом контакте с гильзой цилиндра в отверстии цилиндра; следовательно, гильза цилиндра должна иметь достаточную толщину стенок, чтобы выдерживать пиковое давление сгорания двигателя. Мокрые гильзы цилиндров могут эффективно передавать тепло охлаждающей жидкости и их легко заменить во время капитального ремонта. Их главный недостаток заключается в том, что они должны оставаться герметичными на протяжении всего срока службы, а выход из строя уплотнительного кольца может привести к загрязнению охлаждающей жидкостью моторного масла.
На Рисунке 9–3 показано положение и способ установки чашеобразных-заглушек в рядном-шестицилиндровом блоке.
Классификация блоков цилиндров
Блоки цилиндров, используемые в коммерческих дизельных двигателях, можно классифицировать по типам следующим образом:
• Встроенные отверстия цилиндров или отсутствие гильз цилиндров.
• Наплавка без гильз цилиндров
• Мокрые гильзы цилиндров
• Сухие гильзы цилиндров
• Комбинированные мокрые/сухие гильзы цилиндров
Другие факторы, такие как двухтактный-цикл и воздушное охлаждение, также отражены в конструкции блока цилиндров.