В каких автомобилях алюминиевые двигатели
Алюминиевый блок цилиндров: «Заменить нельзя ремонтировать»
АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук
«Такой блок отремонтировать нельзя! — сказал мастер, указывая на задиры в цилиндрах двигателя MercedesV8. — По крайней мере, в России ремонта алюминиевых блоков не владеют. Специальное покрытие на зеркалах восстановлению не подлежит. Только менять!» — И назвал цену — цифру с некоторым количеством нулей. В долларах, разумеется.
Мы ничего не придумали. Этот разговор действительно произошел не так давно в сервисном центре одного из официальных дилеров знаменитой фирмы. Конечно, установка нового агрегата в сборе взамен вышедшего из строя удобнее и выгоднее для техцентра. Огорчало другое: профессионалы (надеемся, что в дилерских центрах работают только они) не знают (или скрывают это?), что такое — алюминиевый блок цилиндров. В смысле технологии его производства и ремонта. А ведь в России ремонт алюминиевых блоков освоен давно — пожалуй, лет 10 уже, не менее!
Алюминиевый блок в «интерьере»
Прежде чем выстраивать технологические цепочки ремонтных операций, надо, разумеется, знать все особенности ремонтируемой детали.
В том числе технологические «хитрости» ее производства и характер работы. У алюминиевых блоков есть много такого, о чем иные профессионалы, похоже, и не слыхали.
Первый вопрос: зачем блок цилиндров делать алюминиевым, если и чугунные блоки прекрасно работают? Ответ прост: удельная масса алюминия (2850 кг/м3) в 2,7 раза меньше удельной массы чугуна. Соответственно алюминиевый блок получается намного легче чугунного. А это важно, особенно для многоцилиндровых моторов с большим рабочим объемом. Кроме того, теплопроводность алюминия в 4 раза выше, чем чугуна. В результате этого двигатель с алюминиевым блоком быстрее прогревается, а объем системы охлаждения может быть уменьшен благодаря более эффективному охлаждению и быстрому выравниванию температуры стенок блока.
Однако реализовать на практике эти преимущества алюминия не так-то просто. Известно, что по чугунным цилиндрам прекрасно «ходят» поршневые кольца как с твердыми покрытиями, так и без таковых, и сами «мягкие» алюминиевые поршни. С алюминиевыми цилиндрами ситуация другая: сочетание «мягкого» металла поршня с таким же «мягким» материалом цилиндра мгновенно приводит к «схватыванию» металлов и заклиниванию двигателя.
Разумеется, конструкторы двигателей, принимая во внимание эти свойства металлов, разработали несколько способов решения проблемы. Один из них — блоки цилиндров с «мокрыми» гильзами.
Еще в е годы прошлого века получила распространение такая схема: в алюминиевый блок цилиндров устанавливаются «мокрые» чугунные или стальные гильзы. Что называется, и «волки сыты (то есть блоки стали легкими), и овцы целы» — поршни и кольца «ходят» по традиционной твердой поверхности. Такая схема благополучно дожила до наших дней: многие моторы как отечественных, так и иностранных автомобилей имеют подобные блоки цилиндров (вспомним хотя бы наши «волги» и «москвичи»).
Однако простота решения проблемы оказалась весьма обманчивой — схема с «мокрыми» гильзами не лишена недостатков. Жесткость блока, где гильзы «живут» своей жизнью, снижается, что приводит к необходимости увеличивать толщину его стенок, а гильзы при обжатии головки блока деформируются, вызывая повышенный угар масла. Кроме того, такая конструкция оказалась чувствительной к перегреву — прокладка головки блока обычно теряет герметичность даже при не слишком большом и длительном превышении допустимой температуры двигателя.
Эти тонкости можно было не принимать во внимание до тех пор, пока двигатели оставались тихоходными и малонагруженными, а нормы токсичности выхлопа — весьма демократичными. Но к м годам пошлого века ситуация изменилась, и конструкция, прожившая без малого полвека, перестала удовлетворять новым требованиям в полной мере.
Следующим шагом стало появление блоков цилиндров из алюминия с «сухими» чугунными гильзами. Такая схема отрабатывалась многими производителями, но компания Honda первой внедрила в массовое производство конструкцию алюминиевого блока с залитыми тонкими «сухими» чугунными гильзами, и с конца х годов все моторы этой фирмы стали оснащаться такими блоками. Постепенно эта схема завоевала своих сторонников — к му году такие блоки применяли Renault, Volvo, GM, Suzuki, Subaru, Rover и другие производители.
Нередко вместо чугуна гильзы выполняют из композиционных материалов на чугунной основе. Износостойкость таких гильз значительно выше, чем у цельнолитых чугунных блоков (применение дорогостоящих композиционных материалов при изготовлении последних неоправданно, по экономическим соображениям, из-за их большой массы).
Схема с «сухими» гильзами реализует все преимущества легких алюминиевых блоков, прекрасно сочетая их с технологичностью чугунных, а именно: с возможностью растачивания и хонингования цилиндров в увеличенный (ремонтный) размер поршней. Вместе с тем и эта схема не свободна от недостатков. Чугун, из которого изготовлена гильза, имеет меньшие, нежели алюминий, коэффициенты теплового расширения и теплопроводности. Необходимы специальные меры для исключения «отрыва» гильзы от алюминиевой стенки (с этой целью нередко гильзу снаружи делают ребристой). При этом рабочий зазор поршня в цилиндре, как и в простом чугунном блоке, при нагреве уменьшается, а при охлаждении увеличивается, даже если материалы поршней и блока одинаковые. В результате при больших пробегах возможно появление «холодного» стука поршней и, как следствие, повышенного угара масла.
Цельноалюминиевые блоки цилиндров появились приблизительно в те же годы. Технологию их производства отработала немецкая фирма Mahle. Суть идеи заключается в том, что сохраняется пара «железо-алюминий» для поршня и цилиндра, но при условии, что цилиндр выполнен алюминиевым, в то время как алюминиевый поршень гальванически покрыт тонким (0, 0,03мм) слоем железа.
Теперь все встало на свои места: поршень в цилиндре не заклинит, зато тепловое расширение цилиндра и поршня практически одинаково. Тогда рабочий зазор не будет «гулять», и его можно сделать очень малым (0,0,02 мм), не боясь возникновения задиров и «прихватов». Значит, ресурс деталей повысится, по крайней мере, в 1,5 раза.
Однако то, что в теории просто, на деле оборачивается новыми проблемами. На практике, когда поршневые кольца работают по алюминию, ресурс поршневой группы оказывается невелик вследствие слишком «мягкой» рабочей поверхности цилиндра.
Проблему решили, применив специальную технологию литья блока из алюминиевого сплава с содержанием кремния более 18%. Быстрое охлаждение участков заготовки блока в зоне цилиндров приводит к направленной кристаллизации кремния y зеркала цилиндров. Далее, после механической обработки поверхность цилиндров дополнительно обрабатывают химическим травлением. В результате этой операции кислота, взаимодействуя преимущественно с алюминием, «вымывает» его слой толщиной несколько микрон, оставляя на поверхности лишь кристаллы кремния.
Теперь и поршень, и поршневые кольца будут «работать» не по алюминию, а по твердому кремнию — износостойкость и долговечность этих пар трения гарантирована, причем она заметно выше, чем у обычных чугунных цилиндров. Правда, при этом поршневые кольца, все без исключения, должны иметь твердое хромовое покрытие, поскольку именно этот металл обеспечивает наивысшую износостойкость в паре с кремнием.
Блоки цилиндров, изготовленные с помощью описанной технологии, получили достаточно широкое распространение у немецких производителей автомобилей: это двигатели Mercedes V8 и V12, Audi V8, Porsche L4 и V8, BMW V8 и V12. Та структура материала, которая получена на поверхности цилиндров этих цельноалюминиевых блоков, по терминологии фирмы Mahle называется Silumal. Поршни для таких блоков имеют особое покрытие Ferrostan (фирма Kolbenschmidt, также использующая эту технологию, дает ей другое название — Alusil).
Описанные цельноалюминиевые блоки прекрасно ремонтируются, их можно растачивать и хонинговать в ремонтный размер без всяких ограничений. Правда, при ремонте необходима специальная операция — финишная доводка поверхности цилиндров.
К сожалению, при всех преимуществах пара «Silumal-Ferrostan» (цилиндр-поршень) все-таки не идеальна. В отличие от традиционных чугунных блоков цельноалюминиевые очень «не любят» перегрева и плохой смазки. В таких нештатных условиях на поверхности цилиндров нередко возникают глубокие задиры, практически выводящие двигатель из строя. Это естественная плата за меньшую прочность и твердость алюминиевого сплава по сравнению с чугуном.
Очевидно, чем больше кремния окажется на поверхности цилиндров в цельноалюминиевом блоке, тем выше будут их износостойкость и долговечность. Однако применять на практике технологию направленной кристаллизации довольно трудно и дорого. Фирма Kolbenschmidt предложила другое решение: на стадии изготовления блока в него устанавливаются уже готовые алюминиевые гильзы (технология Locasil). Это позволяет использовать для блока более дешевый алюминиевый сплав и на поверхности цилиндров получить очень высокую концентрацию кремния — до 27%. Хотя отмеченные недостатки цельноалюминиевых блоков сохраняются и здесь.
Поскольку «мягкая» поверхность цилиндров алюминиевого блока уступает чугуну, то почему бы не сделать ее более твердой? То есть нанести настоящее твердое покрытие? Такие блоки цилиндров с твердым покрытием начали применять уже давно. Это покрытие представляет собой слой никеля толщиной 0,0,2 мм со сверхтвердыми частицами карбида кремния SiC размером 3 мкм. Разработчик этой технологии фирма Mahle называет это покрытие Nicasil (фирма Kolbenschmidt использует другое название — Galnical).
Первоначально технология Nicasil применялась в х годах для блоков цилиндров дорогих эксклюзивных или спортивных автомобилей. Кстати, моторы автомобилей «Формулы-1» имеют аналогичное покрытие на гильзах цилиндров. Но в массовом производстве эта технология начала применяться лишь в начале х (в качестве примера можно привести двигатели М60 и М52 фирмы BMW).
В отличие от цельноалюминиевых блоков покрытие Nicasil не требует каких-либо изменений материала поршней, т.к. по этому покрытию прекрасно работают и обычные алюминиевые поршни. А вот с поршневыми кольцами для этих блоков ситуация сложнее. Традиционные хромированные кольца не подходят: два сверхтвердых материала (хром и Nicasil) плохо сочетаются друг с другом. Поэтому для цилиндров с твердым покрытием рекомендуются другие кольца — например, чугунные фосфатированные без твердого покрытия.
Мотористы, впервые встретившие алюминиевые блоки цилиндров в своей практике, нередко путают их и не могут точно определить, с каким именно блоком — с покрытием или без него — они имеют дело. На самом деле установить тип блока просто: достаточно «царапнуть» острым металлическим предметом по верхнему краю цилиндра. Цельноалюминиевый блок царапается очень легко, причем царапина получается глубокой, поскольку поверхность цилиндра из мягкого алюминиевого сплава. На чугунном цилиндре царапины будут незначительными. И лишь на покрытии Nicasil не останется никакого следа — настолько высока его твердость.
Несмотря на то, что износостойкость покрытия Nicasil существенно превышает аналогичный показатель обычных чугунных блоков цилиндров, некоторые недостатки этой технологии все же надо отметить. Основа блока — алюминиевый сплав — остается относительно «мягким», поэтому при серьезных поломках (обрыв шатуна, прогар и разрушение поршня) тонкое покрытие легко пробивается и уже не может быть восстановлено. Да и в случае естественного износа ремонт, как правило, не предусматривается, т.к. покрытие имеет малую толщину, из-за чего при обработке цилиндра можно легко обнажить алюминий. По этой причине ремонтных поршней для большинства таких блоков «в природе» не существует (лишь для некоторых моторов выпускаются ремонтные комплекты поршневой группы с увеличенным на 0,0,10 мм размером).
Но если фирма-производитель не предусматривает технологии ремонта, это вовсе не значит, что изношенный блок нельзя отремонтировать. Скажем больше — алюминиевый блок цилиндров, изготовленный по любой из описанных выше технологий, как правило, подлежит ремонту не только в случае износа цилиндров, но даже при более серьезных повреждениях. Как это можно сделать, мы расскажем в наших следующих публикациях.
В этом алюминиевом блоке «сухие» чугунные гильзы хорошо заметны невооруженным глазом, чего нельзя сказать о большинстве подобных блоков
Алюминиевый цилиндр двигателя Porsche с покрытием типа Nicasil — его рабочую поверхность можно поцарапать только алмазом
Мотор Технологии — Санкт-Петербург © 2002-2021 тел. +7 (812) 388-08-55
Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 Гражданского кодекса Российской Федерации. Для получения подробной информации пожалуйста, обращайтесь по телефону 812-3880855 или другими способами указанными вконтактах.
Чем алюминиевые моторы лучше чугунных и так ли это
В настоящее время на российском рынке довольно сложно найти модели машин, оснащенные моторами, блок цилиндров которых изготовлен из чугуна.
Им на смену давно пришли модели современных автомобилей с алюминиевым силовым агрегатом. По словам производителей, такие двигатели являются более современными и выносливыми. Вот только многие водители задумываются о том, так ли это на самом деле, учитывая частоту выхода из строя новых моторов.
Преимущества алюминиевого мотора. Безусловно, такой мотор имеет меньшую массу, что положительно сказывается на динамических параметрах, технических характеристиках и так далее. Алюминиевый блок цилиндров меньше подвержен коррозии, благодаря лучшей теплопроводности он быстрее прогревается и охлаждается.
Производители не скрывают, частота возникновения ремонтных работ с такими моторами напрямую связана с неправильной эксплуатацией, которой пренебрегает большинство водителей. Все дело в том, что автомобилисты не проводят необходимого технического обслуживания своевременно, самостоятельно допуская возникновение серьезных поломок двигателя.
Недостатки алюминиевого агрегата заключаются в том, что этот материал при нагреве расширяется больше чугуна, а ремонт такого двигателя гораздо сложнее и дороже чугунного, если вообще возможен. Иногда работоспособность алюминиевого блока нельзя восстановить, так как для него попросту не выпускаются нужные детали.
Кроме того, стоимость запасных моторов из алюминия на рынке значительно выше в сравнении с чугунными образцами. Водители должны понимать, что от их ответственности будет зависеть стоимость возможного ремонта, который, в принципе, довольно просто избежать, уделяя внимание автомобилю во время эксплуатации.
Недостатки чугунных моторов заключаются прежде всего в их массе. Более того, такой мотор гораздо хуже прогревается и охлаждается, что создает дополнительные проблемы с эксплуатацией. Зато его гораздо проще отремонтировать и восстановить. Вот только стараниями автомобильных производителей такие моторы уходят в прошлое и практически не используются, за исключением некоторых лимитированных версий.
Заключение. Алюминиевые моторы действительно лучше чугунных и отличаются от них положительными моментами, которые нужно учитывать водителям. Вот только есть некоторые нюансы, которые играют важную роль. Очень многое зависит не от мотора, а вот водителей и складывать с себя ответственность на мотор не нужно. Автомобилисты должны понимать, они в ответе за исправность автомобиля, в том числе и мотора. Регулярное техническое обслуживание позволит избежать не только серьезных поломок, но и проблем во время эксплуатации, в частности снизить риск возникновения аварийных ситуаций.
Алюминиевый или чугунный блок цилиндров: эксперт пояснил, какие двигатели лучше и почему
Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.
Основу любого двигателя внутреннего сгорания составляет блок цилиндров. Это массивная металлическая деталь, в которой выполнены отверстия – цилиндры. В них перемещаются поршни, которые и передают энергию газов на коленчатый вал, создавая крутящий момент. При этом блок подвергается большой температуре, давлению, трению. Именно поэтому прочность и износостойкость этой детали является столь же важной характеристикой, как и марка применяемого масла в многом влияет на «живучесть» мотора.
Для автомобильных двигателей основными материалами для изготовления блока и головки цилиндров являются чугун и алюминиевый сплав. У каждого из этих вариантов есть свои существенные преимущества и недостатки, поэтому остановимся на них подробнее.
Если верить гаражным знатокам, то чугунный блок цилиндров – это полный архаизм. То же утверждают и автопроизводители, которые активно рекламируют как новые, так и «новые» технологии, в частности, широкое применение алюминия для снижения веса машины. Как результат, на большинстве современных машин стоят моторы с алюминиевыми блоками. При этом часто все забывают о главном — о прочности материала и его сопротивлению к изнашиванию. Чугун, сам по себе, более прочный и износостойкий, чем алюминиевый сплав любой марки. А это значит, что машина с чугунным мотором проедет больше, и 300-400 тысяч километров – не предел. Даже нанесение специального покрытия на алюминий – не панацея от раннего износа. Одно упоминание таких материалов, как «никасил» и «алюсил» вызывают немало гнева у владельцев машин и радость у сотрудников СТО.
Против чугунных блоков двигателя у алюминиевых есть весомый «козырь» — малый вес, а разница может достигать несколько десятков килограммов. Это, без сомнения, полезно, поскольку машина разгружается, что улучшает динамику и помогает экономить топливо. Но у алюминиевых деталей есть и свои недостатки.
Во-первых, склонность к перегреву и деформации. Алюминиевые детали чаще коробятся при повышении температуры, в то время как чугунные аналоги меньше подвержены проблеме. Особенно это опасно на моторах с турбонаддувом. К тому же, при ремонте алюминиевого блока нужна особая осторожность, т.к. чаще случаются различные неприятности наподобие слизанной резьбы.
Подытожим результат. По мнению профильного эксперта-двигателиста сайта Novate.ru, моторы с алюминиевым блоком цилиндров лучше подходят для небольших городских машин, а также в тех случаях, когда нужна скорость. А для всех остальных автомобилей наилучшими можно считать детали из чугуна как более надежные и дешевые.
Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:
5 «бессмертных» двигателей в современных автомобилях
Автомобилисты часто упрекают современные машины в их «одноразовости». Считается, что двигатели в новых авто не способны на такие же гигантские пробеги, как старые, и их приходится ремонтировать уже после 150 000 км пробега. Но все ли моторы такие? Есть ли двигатели, способные проездить огромный километраж без ремонта?
Двигатель К7 М от Renault
Одним из самых надёжных двигателей заслуженно считается мотор К7 М от Renault объёмом 1,6 литра и мощностью 82 лошади. Его нельзя назвать современным, в нём даже 8 клапанов, а не 16, как в большинстве бензиновых двигателях. Но его простота — это и есть секрет надёжности и гигантских пробегов без ремонта. Эти двигатели способны пройти до 400 тысяч километров без капитального ремонта. Отличный вариант для рабочей машины, даже несмотря на довольно большой расход топлива
Двигатель К4 М от Renault
На 2–1 строчке рейтинга находится мотор от «Рено», но уже в более современном исполнении с 16-клапанами, что дало ему прибавку в мощности до 115 лошадок. Блок цилиндров всё такой же — чугунный, привод ГРМ ремённый, а гидрокомпенсаторов как не было, так и нет. Этот мотор при минимальном уходе способен проехать 300 и даже 400 тысяч километров.
Двигатель Z18XER от Opel
Мотор объёмом 1,8 литра и мощностью в 140 лошадей считается одним из самых удачных решений концерна GM и хорошо знаком владельцам таких машин, как Opel Astra и Chevrolet Cruze. Секрет успеха всё тот же — простота конструкции. Надёжный чугунный блок цилиндров и самая простая система впрыска топлива позволяют этому мотору проезжать без проблем по 200–250 тыс. км.
Двигатель 4B11 от Mitsubishi
Четвёртое место занимает 2-литровый двигатель «Митцубиси» мощностью 150 или 165 лошадиных сил. Также он известен как 4G63, который устанавливали на автомобили Kia. Этот мотор по праву считается одним из самых неубиваемых моторов всех времён. Если сравнивать с предыдущими моделями, 4B11 — достаточно современный двигатель. Блок цилиндров алюминиевый, есть система изменения фаз газораспределения, привод ГРМ цепной. У заботливого автовладельца движок способен пройти больше 200 тысяч километров без капиталки.
Двигатель MR20DE от Nissan
На пятой строчке находится мотор MR20DE/M4R производства «Ниссан — Рено». 2-литровый 16-клапанный двигатель 133 или 147 лошадиных силы устанавливался в такие автомобили, как «Ниссан Тиана», «Ниссан Кашкай», «Рено Меган» и «Рено Флюенс» и ряд других. Блок цилиндров алюминиевый, привод ГРМ цепной. По опыту многих владельцев машин с этим двигателем можно сказать: при использовании качественного моторного масла он способен проехать 200 тысяч километров и даже больше.
