Алюминиевые блоки цилиндров на каких автомобилях
Алюминиевый блок цилиндров — гильзовка или покрытие
Как происходит гильзовка блока цилиндров? — сегодня мы попытаемся понять, что лучше гильзы или покрытия из Nikasil и Alusil.
Споры не утихают, что лучше алюминиевый блок или чугунный. Прогресс неизменная вещь в нашем мире, так на смену тяжелым чугунным двигателям пришли новые легкие и алюминиевые. Производители уверяют, что алюминиевые блоки по всем направлениям превосходят чугунные: они легче, не подвержены коррозии, теплопроводность в 4 раза выше чем у чугунного блока. Так ли все хорошо?
Чугунный блок
Большинство автопроизводителей идут по пути наименьшего сопротивления и с каждым годом стараются уменьшить вес производимых автомобилей. И замена чугунного двигателя, к слову, он в три раза тяжелее алюминиевого, не заставила себя долго ждать.
Чугунный блок является очень прочным элементом, отличается низким коэффициентом трения между стенками цилиндра и поверхностью поршня. Ремонтопригодность — это второе имя чугунного блока. Стенки цилиндра восстанавливаются при помощи расточки и установки поршней ремонтного размера
Алюминиевый блок
Алюминиевый блок обладает положительными моментами, но трение алюминиевого сплава поршней об алюминиевый блок недопустимо, поэтому производители пытаются оградить блок от поршня, для этого существует несколько вариаций:
«Сухая» гильзовка от производителя
Двигатели Gamma 1.4 л. и 1.6 л., устанавливаемые на Hyundai Solaris и Kia Rio, изготавливаются с помощью метода «сухой» гильзовки — чугунная гильза с неровными внешними краями заливается жидким алюминием. «Сухая» гильзовка вызывает трудности при ремонте блока, в отличии от «мокрой» где блок возможно разгильзовать, заменить гильзы и поршни.
Nikasil и Alusil
Тонкостенные покрытия (никасиловое или алюсиловое покрытие) в теории такой метод имел только положительные стороны, но на практике все оказалось куда плачевнее. Официальная версия производителей: «Сера, находящаяся в топливе, вступает в реакцию с покрытием и уничтожает его».
Скорее всего технология с покрытием Nikasil оказалась дорогостоящей и трудоемкой, с высоким процентом брака, который списали на высокосернистый бензин. Вторая теория гласит о том, что Nikasil и Alusil прочное, но тонкое покрытие, находящееся на алюминиевом сплаве блока и при высоких температурах просто-напросто вдавливается в алюминий.
Блок цилиндров с «мокрыми» гильзами
Мокрые гильзы контактируют с охлаждающей жидкостью. Жесткость и герметичность обеспечивает затяжка головки блока цилиндров. Производители начинают уходить от этой технологии, так как не получалось обеспечить достаточную жесткость блока, а главной проблемой являлось попадание охлаждающей жидкости в масло.
Заговор или нет?
В эру алюминиевых блоков средний пробег двигателя приравнивается к 200 тысячам километров, а о периоде чугунных «миллионников» уже никто и не вспомнит.
Пробег в 200 000 километров является оптимальным вариантом для первого владельца, а вот второй или третий собственник точно столкнется с проблемой алюминиевого блока.
Автопроизводители перестали уделять должное внимание к надежности автомобиля, тем самым подталкивая владельцев к покупке нового, а не подержанного авто.
Алюсил не виноват: настоящие причины ненадежности алюминиевых моторов
Легкие цельноалюминиевые моторы с тонким алюсиловым покрытием цилиндров потихоньку становятся пугалом для покупателей машин на вторичном рынке. При этом сам по себе алюсил неправильно было бы считать абсолютным злом. Попробуем разобраться, что это вообще такое и стоит ли бояться этой технологии.
Алюсил? Не, не слышал
Сам по себе алюминий – металл достаточно мягкий, – это знают все, кто гнул в детстве бабушкины алюминиевые вилки. И даже прочности его сплавов, которые используются в автомобилестроении, недостаточно для использования на поверхности цилиндра – он попросту не выдержит трения поршневых колец.
Но соблазн использовать цельноалюминиевый мотор слишком велик. Масса алюминиевого блока в разы меньше, чем у чугунного, он лучше прогревается, у него меньше напряжения в сопряжении блока и головки цилиндров. Казалось бы, запрессовать чугунные гильзы в алюминий и успокоиться, но и тут есть сложности.
Так называемая «мокрая» посадка гильзы, как на моторах ЗМЗ V8, не обеспечивает достаточной жесткости и не технологична, а «сухая» гильза, которую заливают в блок на этапе отливки или штамповки, обходится дорого. И в любом случае чугун ухудшает теплопередачу и тепловой зазор приходится оставлять большим из-за разного коэффициента расширения металлов. А новые требования к моторам заставляют искать способы уменьшения зазоров в цилиндрово-поршневой группе для усовершенствования работы «на холодную» и улучшения экологичности.
Выход нашли сначала в нанесении на алюминий очень тонкого слоя особопрочного материала. Пример тому – покрытие по технологии Nikasil из сверхтвердого карбида никеля, наносимое гальваническим методом на алюминиевую гильзу цилиндра.
Технология была разработана в 60-е годы для роторно-поршневых моторов NSU и применялась на легендарных Ro-80 и на некоторых Porsche, а в 90-е годы пришла в массовое автомобилестроение. Но совсем ненадолго. Буквально за пять-шесть лет выпуска производители «разочаровались» в технологии. Формальным поводом стали случаи разрушения прочнейшего покрытия из-за химических проблем: например, при использовании высокосернистого топлива. Особенно часто сложности встречались в северных штатах США и в Канаде.
Отзвуки громкого скандала с никасилом дошли и до нас, но это как раз тот случай, когда проблема оказалась вовсе не технической – просто это очень дорогой способ, и у него «нашли» «недостаток». Хотя дело было скорее в низкой технологичности и высоких шансах на производственный брак при сложной процедуре. Забавно, что громкий отказ в массовом автомобилестроении от никасила никак не повлиял на его использование в мотоспорте и на заряженных гражданских мотоциклах: там он по-прежнему весьма популярен.
Но потерпев неудачу с никасилом, конструкторы не отчаялись и обратились к более технологичным аналогам. Вспомним, что чугун в моторах появился не просто так. На поверхности этого металла при обработке проявляются зерна графита, благодаря твердости которых чугунные цилиндры обладают высокой износостокостью. Если насытить алюминий кремнием выше определенного порога, то можно получить своеобразный «алюминиевый чугун» – заэвтектический сплав, в котором кремний будет содержаться в виде очень твердых износостойких зерен.
Достаточно лишь в блоке цилиндров, отлитого из заэвтектического сплава, специальным образом обработать поверхность цилиндра, «осадив» алюминий и оставив зерна кремния на поверхности. Технология Alusil или Silumal, основанная на этом принципе, а также гильзы по технологии Locasil, оказались крайне инновационны и недороги. Во многом этот способ даже дешевле «сухих» чугунных гильз в алюминиевом блоке. А о достоинствах цельноалюминиевого мотора я уже писал выше. И все же вал отказов моторов с алюсиловыми цилиндрами вполне обоснованно ставит под сомнение надежность самой технологии. Но в ней ли проблема?
В теории все отлично
Если ограничиться только широкоизвестными примерами «неудачных» моторов, то можно подумать, что именно в покрытии цилиндров и заключена суть проблемы. Но стоит приглядеться подробнее и обнаружится, что весьма удачных моторов с технологией Alusil хватает. Вот, например, серия двигателей M112-M113 от Mercedes, которые вполне обоснованно считаются крайне надежными, беспроблемными и неприхотливыми. И не беда, что тут гильзы цилиндров с алюсиловым покрытием – моторы проходят все 300-500 тысяч километров до проблем с поршневой группой, и известны примеры с куда большими пробегами – при нормальной эксплуатации износ в этом сопряжении практически отсутствует. В чем же разница между ними и признанными «неудачниками» серии М272-М273?
Алюминиевые блоки обеспечивают более стабильные характеристики поршневой группы при нагревании, позволяют почти без ущерба давать нагрузку на непрогретый мотор, а в итоге гарантируют лучшую экологичность и экономичность. И с ресурсом в теории тоже все хорошо: очень «скользкое» покрытие с минимальным коэффициентом трения, хорошими характеристиками удержания масляной пленки и высочайшей твердостью поверхностного слоя может работать очень-очень долго. Почти так же долго, как и очень дорогой Nikasil, и больше, чем чугун. Почему же на практике получается иначе?
Разберем подробно на примере пары двигателей: надежного М112 и крайне неудачного М272 от одного производителя, почтеннейшего Mercedes-Benz. Оба двигателя ставили на целый ряд машин, от С- до S-классов и тяжелых внедорожников на протяжении более 10 лет. Самое время проанализировать накопленный опыт. Представлю героев этой статьи подробнее.
Хороший пример
Моторы серии М112-М113 – унифицированное семейство моторов V6 и V8, с углом развала блока 90 градусов, с рабочим объемом от 2,6 до 5,4 литра. Моторы V8 отличаются от V6 только наличием еще двух цилиндров и отсутствием балансирного вала в развале блока, в остальном они идентичны. На базе шести- и восьмицилиндровых моторов этих серий делали и компрессорные агрегаты для машин AMG.
Блок цилиндров из алюминиевого сплава, сухие гильзы из заэвтектического алюминиевого сплава. Кованый коленчатый вал, кованые шатуны, привод ГРМ двухрядной роликовой цепью, по одному респредвалу на ГБЦ (SOHC), три клапана на цилиндр: два впускных, один выпускной. Распределенный впрыск, система зажигания с двумя свечами на цилиндр. Фазовращателей нет. Впускной коллектор переменной длины. Простой термостат, привод вентилятора через вискомуфту, температура термостатирования 87 градусов. Охлаждение масла в водомасляном теплообменнике.
Мощностные показатели более чем неплохие, особенно с учетом сравнительно небольшой массы моторов и малых размеров – ГБЦ очень компактные. Моторы V6 с рабочим объемом 3,7 литра без наддува выдают до 245 л. с. и 344 Нм, а V8 объемом 5,4 литра – все 367 л. с. и 530 Нм крутящего момента. Компрессорные варианты – так и вовсе вплоть до 650 л. с.
Основные недостатки конструкции давно известны. Сравнительно высокий расход масла на угар из-за малого натяга поршневых колец и быстрого износа сальников выпускных клапанов. Течи масла с теплообменника двигателя, а при загрязнении системы вентиляции картера и с крышек ГБЦ, а также других мест. Не очень высокое качество резиновых уплотнений, но сальники выпускных клапанов выходят из строя в основном из-за высокой температуры единственного выпускного клапана.
Трескаются выпускные коллекторы из-за конструктивных просчетов. Сложно менять свечи нижнего ряда, и этой процедурой пренебрегают при обслуживании, из-за чего моторы часто не выдают расчетные характеристики. Сравнительно мал ресурс катализаторов, а при прогрессировании расхода масла они выходят из строя очень быстро. Выпускной коллектор имеет изнашиваемые заслонки, которые теряют уплотнение к пробегу в 200-350 тысяч километров и иногда выходит из строя их привод, после чего мотор значительно теряет либо в тяге «на низах», либо «на верхах».
Если вовремя заменить сальники клапанов, не допускать перегревов, вовремя устранять течи теплообменника и менять прокладки, то мотор даже со стандартным интервалом обслуживания в 15 тысяч километров и «оригинальном» масле способен на более чем 200 тысяч пробега. При качественном обслуживании и при пробегах «за 300» он вполне бодро себя чувствует, не требуя замены поршневой группы и цепей. Задиры поршневой группы на M112/113 – часто следствие пренебрежения интервалами замены воздушного фильтра, плохого масла и перегревов.
Причем перегреть этот мотор достаточно сложно, если только ездить с неисправным термостатом или порванным ремнем привода вентилятора и помпы. Моторы эти имели экологический класс Euro 3 и Euro 4, выпускались с 1997 года и считались очень удачными. Но прогресс – штука неумолимая.
Плохой пример
В 2004 году на моделях C-, E- и S-класса появились новые двигатели серии M272/273 с примерно такими же характеристиками. Моторы серии M113 оставили только для «проходимца» G55. Чем же новые агрегаты были хуже и почему для владельцев они превратились в символ угасания качества марки Mercedes?
Серия двигателей M272-M273 тоже унифицирована, это V6 и V8 охватывает диапазон рабочего объема с 2,5 до 5,5 литра. На первый взгляд моторы мало изменились в сравнении с предшественниками, но тем не менее где-то кроются те изменения, которые сказались на надежности самым радикальным образом.
Блок цилиндров с тем же межцентровым расстоянием, тоже алюминиевый. Целиком отлит из заэвтектического алюминиевого сплава, гильз не имеет. Кованый коленчатый вал, кованые шатуны, привод ГРМ двухрядной роликовой цепью. Два верхних распредвала в каждой ГБЦ (DOHC), четыре клапана и одна свеча на цилиндр. Фазовращатели на впускных и выпускных валах. Впрыск распределенный на большинстве моделей, но есть и варианты с непосредственным (CGI) впрыском. Впускной коллектор переменной длины. Электровентиляторы системы охлаждения, управляемый термостат с электронным управлением. Температура термостатирования без учета нагревательного элемента уже 100 градусов. Охлаждение масла происходит в водомасляном теплообменнике.
Масса и габариты моторов выросли: весить агрегат стал в среднем больше на 10-15 кг и прибавил в ширину восемь см. Правда, мощность немного подросла. Самые объемные V6 3,5 литра выдают 272-316 л. с. в варианте с обычным и непосредственным впрыском, а 5,5 литра V8 все 388 л. с. Крутящий момент остался прежним, 350-360 Нм для V6 и 530 Нм для V8, но сместился в зону низких оборотов: если у М112 максимум достигался при 3 000-3 500 оборотах, то у М272 это уже 2 400-2 500 оборотов, что хорошо сказывается на динамике и экономичности.
Казалось бы, совершенно непринципиальные изменения. Но вот недостатков у нового мотора оказалось куда больше, чем преимуществ. Первые серии двигателей поразили «новшеством» в виде небывало низкого ресурса ГРМ. При пробегах всего в 60 тысяч километров могучая двухрядная цепь могла перескочить и загнуть клапаны мотора. Учитывая специфику V образных двигателей, часто это приводило к отрыву клапанов и полному разрушению агрегата.
Система непрерывного изменения фаз ГРМ оказалась капризной и дорогой: первые ее варианты имели ресурс опять же в пределах 80-100 тысяч километров и хорошую вероятность отказа при меньшем пробеге. Вина лежит в основном на неудачно выбранном материале цепи балансиров, которая быстро изнашивалась, ломала зубья, но сама цепь ГРМ и материалы звезд ГРМ тоже оказались излишне мягкими и изнашивались следом.
И впускной коллектор оказался с сюрпризом: если на моторах М112 выход его из строя был редкостью, то на М272 его замена выполняется уже в рамках обычного техобслуживания, примерно каждые 60 тысяч километров. Mercedes доработал конструкцию, но на это ушло немало времени. Недостатки ГРМ в основном устранили после 2007 года, когда стабильный ресурс цепи достиг примерно 120 тысяч километров, и система управления фазами тоже была доработана для достижения стабильного ресурса, сравнимого с ресурсом цепи. Впускной коллектор так и остался проблемным местом.
Нужно отметить, что все работы по ГРМ на этом двигателе очень дороги, а звезда балансирного вала меняется только вместе с самим валом, что требует снятия двигателя. Стоимость работ и материалов составляет не меньше 200 тысяч рублей. Ну а цена впускного коллектора в 60 тысяч рублей на фоне этого может считаться просто мелочью, тем более что «гаражный сервис» заслонки просто удаляет и без видимого вреда для мотора.
Еще одна проблема проявилась именно с поршневой группой этого двигателя: задиры цилиндров и связанный с ними высокий расход масла стали проявляться при совершенно смешных по мерседесовским меркам пробегам, порядка 80-100 тысяч километров, причем для моторов после 2007 года эта сложность могла вылезти раньше, чем заканчивался ресурс ГРМ.
Как следствие всех этих особенностей выросла стоимость эксплуатации и число отказов, в том числе требующих замены блока цилиндров или гильзовки. Но в общем-то и проблемы «предка» в лице М112 никуда не делись: слабые уплотнения, система вентиляции, теплообменник все также протекает и катализаторы умирают быстро. Правда, такой мотор масла практически не расходует, в отличие от предшественников, для которых пол-литра или литр на 15 тысяч километров пробега был в общем-то нормой, которая еще не говорила о начинающихся проблемах. Самое время взглянуть внимательнее, чем еще отличаются моторы и что может влиять на ресурс поршневой группы. И причем тут вообще алюсил.
Самое очевидное, что сказывается на условиях работы поршневых колец и сальников клапанов, – это изменение рабочей температуры. 87 градусов против 100 кажется не такой уж значительной прибавкой, но надо учесть еще и режим работы вентиляторов. Вискомуфта на М112 обеспечивает резкое снижение температуры сразу после открытия термостата при исправной работе и при заклинивании, а электровентиляторы на М272 срабатывают только при 107 градусах, даже если термостат открылся раньше. Побочным эффектом управляемого термостата является и резкое повышение вероятности детонации при ускорениях после пробок – мотор не успевает остыть быстро даже при снижении порога термостатирования под нагрузкой. А детонация для алюсилового мотора легко разрушает легкий слой поверхностного упрочнения.
Поршни, на первый взгляд, разнятся мало: почти одинаковая компрессионная высота, высота самого поршня различается меньше чем на 3 мм, но вот жаровой пояс у новых моторов М272 составляет всего 5 мм против 7,5 мм у М112. При прочих факторах это означает заметно худшие условия работы поршневых колец: они находятся в гораздо более горячей зоне. А еще маслофорсунки на моторе М272 имеют меньший расход масла, что явно не лучшим образом сказывается и на температуре поршня и, опять же, на условиях работы поршневых колец.
И снова отличия вроде бы невелики, но в сочетании с большим количеством частиц износа в картере мотора из-за износа ГРМ, вероятностью разгерметизации впускного коллектора или отрыва его заслонок, более быстрым износом сальников клапанов из-за повышенной температуры, ресурс поршневой группы сокращается в два-три раза, а число отказов и вовсе в несколько раз.
Алюсил в моторе тот же самый, просто условия его работы совершенно другие. Возможно, чугунные гильзы позволили бы избежать полного ремонта с заменой блока в некоторых случаях, но как показывает практика, если мотор хорошо сконструирован, без попытки всеми правдами и неправдами обеспечить меньший паспортный расход топлива, то алюсиловое покрытие вполне способно гарантировать стабильный и высокий ресурс. Что же касается разницы в эксплуатационных характеристиках, то Мерседесы Е320 и Е350 по динамике разгона различаются несильно, хотя паспортные характеристики разнятся почти на секунду – 6,9 против 7,7 «до сотни» и средний расход 14 литров ровно против 14,7. Скорее всего, более объемный 3,7-литровый М112 мог бы обеспечить схожие динамические характеристики, но при большей разнице в расходе топлива.
Что в итоге?
Как это часто происходит, проблема вовсе не в технологии, а в ее применении. В попытке выжать последние крохи из старых конструкций, уменьшая расход топлива и снижая выбросы. И результат вскоре превращается в ровно противоположный: уязвимые катализаторы вырезаны, дым от сгорающего масла облачком уносится прочь от дороги, а расход топлива на практике ничуть не уменьшился и даже подрос из-за неисправности двигателя. К сожалению, декларируемая «экологичность» все чаще оборачивается к людям какой-то не той стороной.
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.
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:
Одноразовые, но не совсем: способы капремонта современных моторов
Что делали владельцы старых автомобилей, когда мотор начинал гнать масло в цилиндры и коптить небо сизым дымом? Они делали капремонт – растачивали изношенные стенки цилиндров и ставили поршни большего диаметра. И мотор мог «ходить» еще 150-200 тысяч километров, а то и больше.
Тенденции современного автомобилестроения таковы, что классические чугунные блоки под несколько ремонтных размеров поршней уже стали исчезающим видом, куда чаще двигатели являются «одноразовыми». Нет ремонтных размеров цилиндропоршневой группы, нет ремонтных размеров вкладышей коленчатого вала.
Что может произойти с таким мотором и что делать, если он всё же сломался, а заменить на новый агрегат – не вариант из-за слишком высокой цены? Моторы бывают разные, но почти всегда можно найти альтернативный путь и вернуть его к жизни. Другой вопрос, имеет ли это смысл с точки зрения финансовой?
Алюминиевые блоки с чугунными гильзами
Самый простой вариант – «обычный» мотор с чугунными гильзами, а иногда даже и с блоком из того же чугуна, но не имеющий ремонтных размеров поршневой группы и коленчатого вала.
А кстати, почему? Существует «теория заговора», согласно которой производители специально ограничивают выпуск деталей для ремонта, лишь бы потребитель косяком шел в салоны за новыми машинами. Но если это и правда, то отчасти. Дело в том, что многие современные чугунные моторы по стойкости к выработке – не чета старым.
Вследствие прогресса в материалах чугунная гильза по износостойкости вплотную приблизилась к весьма недешевым технологиям с применением алюсила и никасила, о которых подробно расскажем ниже.
Естественный износ чугуна, по сути, остался в прошлом. Зачастую естественная выработка цилиндра при пробеге свыше трехсот тысяч километров оказывается минимальной. А если износ меньше глубины хонингования (две-три сотые доли миллиметра), то нет и нужды в расточке.
Разумеется, для производителя это хороший повод отказаться от ремонтных размеров и выпускать только несколько градаций «номинальных» поршней и колец. Но, к сожалению, износ бывает не только естественным. При залегании поршневых колец, попадании абразива в цилиндры, перегревах, детонации или других неприятностях с мотором могут выйти из строя один или все цилиндры.
На них появляются задиры, эллипсность или даже кольцевая выработка, возможны и нарушения геометрии шатунно-поршневой группы. Если бы была возможна расточка, то проблема решалась бы просто переточкой в новый размер, дефекты такого рода обычно при этом удаляются без проблем. Но точить-то нельзя! Попросту нет в продаже поршней нового размера, а если проблемы с коленчатым валом, то и его точить тоже нельзя – нет вкладышей.
Способ ремонта №1: покупка шот-блока
Значит, моторы все же одноразовые? Отнюдь. Решить проблему такого мотора можно несколькими способами. Первый из них – штатный, рекомендуемый производителем. И зачастую, кстати, не самый плохой. Это покупка так называемого шот-блока, то есть блока цилиндров в сборе с поршнями и коленчатым валом. Поставить на него головки блоков, картер, навесное оборудование – и мотор готов.
Обычно минусом такого решения является цена, но если вспомнить, что оригинальные поршни обычно тоже стоят недешево, да и работа стоит немало, то… Вопрос, как всегда, в цене на конкретные экземпляры. Например, известные моторы Opel Z22SE или Saab B207 как продукция компании GM имеют большой выбор шот-блоков, причем далеко не только от производителя. Цена их в США очень приятная – от полутора тысяч долларов. За две с половиной можно приобрести тюнинговый усиленный блок со строкер-китом на 2.5 – 2.7 литра или рассчитанный под большее давление наддува и солидный крутящий момент. А вот на немолодые Тойоты шот-блок обойдется минимум в три с половиной тысячи. При этом изрядная часть моторов большого объема имеет шот-блоки ценой около пяти тысяч. И тут уже придется задуматься об альтернативе простой замены.
Способ ремонта №2: гильзование блока цилиндров и «родные» поршни
Гильзы делаются, как говорится, «в номинал», то есть того же размера, что и в оригинале. Если удачно подобрать материал гильзы и точность «натяга», то разве что немного пострадает теплопередача, ведь «родная» гильза именно залита в расплавленный металл, а ремонтная, в зависимости от способа посадки, может как почти не иметь монтажного зазора, так и сохранять зазор от одной до трех сотых.
Дальше всё зависит от точности мехобработки и от качества сборки. Оригинальная поршневая группа номинального размера прекрасно будет работать в таком моторе. Можно гильзовать только поврежденный цилиндр и тем самым уменьшить цену работ. Многое зависит от мастерства исполнителей работ, но если в вашем городе есть точные станки, то это сравнительно недорогой способ восстановления мотора.
Но помните, что при тепловой обработке блока цилиндров возможны деформации и нарушение геометрии. Поэтому рекомендуется гильзовать все цилиндры сразу и производить расточку с учетом новой геометрии от «базы» блока, а не старых осей цилиндров. При необходимости же ремонта только одного цилиндра лучше использовать технологии холодной посадки гильз прессом или установку с зазором.
Способ ремонта №3: «родные» расточенные гильзы и поршни большего диаметра
Блок цилиндров просто растачивается под новые кастомные поршни – не оригинальные, а заказные, под нужный размер. Обычно речь идет о так называемой ковке – поршнях, полученных мехобработкой из болванки, полученной изотермической штамповкой. Такие поршни заметно прочнее обычных литых, но, как всякая индивидуальная работа, она может оказаться не самой удачной.
Даже поршни от солидного производителя требуют большего теплового зазора из-за более высокого коэффициента расширения сплавов для ковки и неучтенной тепловой деформации. И разумеется, более прочный поршень не всегда означает больший срок службы двигателя, так как изнашиваются и кольца, и сам цилиндр. В этом случае многое будет зависеть как от обработки самого цилиндра (в этом случае он сохраняет свои параметры по теплопередаче и геометрии, в отличие от гильзования), так и от нового поршня.
Аналогично действуют и тогда, когда оригинальная поршневая группа очень дорога или редка, а мотор строится для использования каждый день. Это хороший способ в случае, если поршни под ремонтируемый мотор уже освоены хотя бы малой серией или есть испытанные образцы. Ведь работать испытателем тестового мотора не хочется никому.
Впрочем, если вы наберете желающих заказать пятьсот или тысячу поршней, то ваш заказ имеет все шансы быть произведенным по оригинальным технологиям Kolbenschmidt или Mahle, правда, и цена поршней будет как минимум не ниже, чем у оригинальных, зато размер – любой в пределах разумного допуска к штатному и полностью отработанная в серии конструкция.
Полностью алюминиевые блоки без гильз
Делать блоки цилиндров из алюминия без чугунных гильз крайне выгодно. Во-первых, это меньшая масса мотора. Во-вторых, теплопроводность алюминия выше, чем у чугуна, а значит, лучше теплоотвод от самых нагруженных частей мотора. Наконец, и поршни, и головка блока цилиндров тоже выполнены из алюминия, а значит, их коэфициент теплового расширения будет близок к коэффициенту расширения блока. Поэтому можно уменьшить тепловые зазоры до минимума, обусловленного разницей температур поршня и блока цилиндров.
Технологии цельноалюминиевых блоков цилиндров условно можно разделить на три группы материалов, и во всех случаях это будет не «чистый» алюминий, а блок из «крылатого» металла с прочным покрытием цилиндров.
Никасиловые алюминиевые блоки
В первую очередь это Nikasil, который был первым получившим массовое признание как способ производства надежных цельноалюминиевых двигателей без чугунных гильз. Название от компании Mahle стало нарицательным, хотя, может быть, торговая марка аналогичного покрытия от фирмы Kolbenschmidt – Galnical – оказалась не столь благозвучна и вторична…
В первую очередь оно предназначалось для роторных моторов, но получило широчайшее распространение в девяностых годах, а в Формуле-1 используется до сих пор, как и в мотоциклетных моторах. Например, «монстр» Suzuki Hayabusa имеет именно такое покрытие цилиндров. Более прочного и удачного материала для цилиндров пока не придумали, его слой твердый и достаточно вязкий, он толстый и не трескается, его можно немного расточить, если уж удалось его каким-то образом сносить. Но это бывает крайне редко, покрытие практически вечное.
Вот только никель-карбид-алюминиевое покрытие, столь прочное и износостойкое, боится сернистых соединений. И на машинах в США и Канаде, в которых использовали высокосернистый бензин, покрытие быстро выходило из строя. Такого бензина сейчас и не встретить, но есть и другая причина, по которой от покрытия отказались. Оно вечное, но оно и дорогое – технология требует сложного способа гальванического нанесения и механической обработки высокопрочного материала.
Алюсиловые алюминиевые блоки
Поэтому компания Kolbenschmidt предложила использовать весьма старую (запатентована еще в 1927 году компанией Schweizer & Fehrenbach) технологию Alusil для производства блоков цилиндров. Поскольку Кольбеншмидт на тот момент принадлежал Audi Group, то технология быстро была доведена до практического использования.
Основная идея достаточно проста: гильза или весь блок цилиндров целиком изготовлены из сплава алюминия с высоким содержанием кремния, его в нем не менее 17% – это так называемый заэвтектический сплав. При этом кремний содержится в материале не в растворенном виде, а как кристаллы.
И если «осадить» алюминий, то получится сплошной слой из выступающих кристаллов кремния, очень твердый, «скользкий» и износостойкий, по нему уже могут работать самые твердые поршневые кольца. Этот способ проще и куда дешевле, а покрытие — вытравливаемое химическим способом или получаемое специальной обработкой в слое высококремнистого алюминия. По твердости алюсил не уступает никасилу.
Дополнительным плюсом технологии является близость алюминиевых сплавов блока и поршня – те тоже отливают из заэвтектического алюминия, а значит, тепловой зазор будет наименьшим. Вот только упрочненный слой куда тоньше, чем у Никасила, а само покрытие куда более хрупкое, под тончайшей рубашкой из кристаллов кремния всё тот же алюминий. Оно боится и перегрева, и попадания твердых частиц, и даже нагара с колец. А еще боится агрессивных химических соединений серы и других.
При этом способ его производства часто допускает образование каверн и зон с неоднородным качеством покрытия. И пусть сейчас это самая распространенная технология для цельноалюминиевых моторов, но всё же у нее есть свои рамки применения и вытеснить простые чугунные гильзы она не смогла.
Но есть и один почти не используемый плюс: теоретически возможна расточка и восстановление слоя покрытия. Тут нужна лишь специальная технология расточки, удаляющая слой алюминия, а затем формирующая слой сплошного кремния на поверхности и слегка «сглаживающая» кристаллы. Но она требует массовости, а значит, и крупных заводов по восстановлению блоков цилиндров. А их пока нет.
В активе Кольбеншмидта есть еще технология Locasil – сплав, в котором содержание кремния составляет все 27%, но отлить блок цилиндров из него уже нельзя, он слишком хрупкий, зато можно сделать гильзу для блока цилиндров, она будет более износостойкой, чем алюсиловая, но технологии для ремонта у них одни и те же.
Экзотика: плазменное напыление
Встречаются и более редкие варианты. Например, VW в блоках цилиндров печально известных моторов 2.5 TDI используют плазменное напыление. Схожую технологию лазерного нанесения кремния вместо алюсила с химическим травлением используют на новых моторах BMW «глобальной серии» B38-58. Теоретически эта технология прогрессивна и позволяет получить достаточно толстый слой упрочнения с хорошими характеристиками, но явно пока не доведена до совершенства.
Способ ремонта №1: расточка алюминиевых блоков с покрытием
Разумеется, все технологии с поверхностным упрочнением слоя алюминия не предусматривают износ зеркала цилиндра, а значит, и моторов с ремонтными размерами поршневой группы почти нет. Разве что совсем старые моторы BMW под Никасил имели пару ремонтных размеров, но быстро выяснилось, что покрытие либо служит и не изнашивается, либо повреждается и тогда надо менять блок цилиндров в сборе. Соответственно, ремонтные размеры для никасиловых моторов быстро пропали.
Более свежие конструкции обычно не дают даже возможности купить «оригинальные» поршни по заводскому каталогу – только шот-блок в сборе. Обосновывается это, как обычно, заботой о потребителях и высокими стандартами качества. Но поскольку детали поршневой группы заказываются производителем машины «на стороне», то в каталогах производителей поршней оригинальные запчасти найти можно, нужно только выяснить, кто из десятка производителей поставлял их на конвейер.
Иногда можно заказать и ремонтные размеры, например, если у вас есть возможность восстановления покрытия типа алюсила, то этот вариант обеспечит сохранение всех заводских характеристик мотора. Полное восстановление заводских параметров обеспечивает гальваническое или плазменное напыление никасилоподобного или хромового покрытия с последующей расточкой или высокоточное напыление без дальнейшей обработки. Но если уж в серийном производстве не могут обеспечить стабильное качество и ресурс такого покрытия, то при использовании ремонтных технологий ресурс может оказаться еще меньше, всё зависит от исполнителя.
Шансы на качественный ремонт есть, технология широко применяется для мелкосерийного гоночного моторостроения, а там высочайшие требования к покрытию. Вот только цена работ и процедура тестирования будут соответствующие. Из славного советского прошлого множеству заводов достались восстановительные технологии из этой серии. Возможно, где-то применяются ноу-хау, позволяющие производить такое восстановление надежно и недорого, но лично мне такие места не известны. Кто знает, поделитесь!
Дополнительным плюсом использования таких технологий является возможность восстановления только поврежденного цилиндра, что делает такой вариант выгодным при возвращении к жизни именно поврежденного, но не изношенного временем блока.
Способ ремонта №2: гильзование алюминиевых блоков
Но по-настоящему массовой технологией является гильзование. Используются как алюминиевые гильзы с никасиловым покрытием или алюсил-подобные технологии, так и старые добрые чугунные. Алюминиевые гильзы позволяют избежать многих сложностей внедрения чугуна в изначально алюминиевый мотор, но в большинстве случаев алюминиевая гильза поставляется уже с готовой к работе поверхностью и не подвергается дальнейшей мехобработке. А это налагает высокие требования к качеству исполнения всех работ. В противном случае возможны как нарушение геометрии самой гильзы, так и нарушение геометрии шатунно-поршневой группы и, соответственно, снижение ресурса мотора и его характеристик.
Чугунные гильзы куда дешевле, выполняются не под конкретный мотор а подбираются по размеру. В результате гильзовка мотора по этой технологии заметно дешевле и применяется куда чаще. В отличие от посадки чугунной гильзы, в чугун применяется только «горячая» посадка или с применением жидкого азота для охлаждения гильзы и уменьшения ее диаметра.
При использовании качественных гильз и точной мехобработки ресурс поршневой группы может оказаться даже выше, чем у оригинального покрытия, но опять же возможны ошибки в работе мастерской, а значит, могут появиться и локальные перегревы цилиндров, и термодеформации.
Минусами технологии применения чугунных гильз традиционно являются уже упомянутое ухудшение теплоотвода, необходимость использования сильного нагрева блока для «горячей посадки», азотного охлаждения материала или высокотехнологичной технологии сварки вращением и большая вероятность ошибки, чем при использовании алюминиевых гильз.
Чаще всего это будет единственная доступная технология разумного восстановления мотора. Причин на то много: например, нет специализированных алюминиевых гильз, технологий расточки и обработки алюсила и нанесения никасила, что типично для России. Если блок цилиндров был перегрет и нарушилась его геометрия, то нужна гильза, рабочую поверхность которой можно будет расточить под новую геометрию блока, и тут выбор технологий восстановления сужается до чугуна или растачиваемых алюсиловых гильз.
Поршни под гильзованные моторы подбираются из числа оригинальных по уже описанной технологии или изготавливаются специальные заказные, как и для моторов со штатной рабочей поверхностью цилиндра из чугуна.
Что в итоге?
99% всех двигателей производится по описанным технологиям, а значит, шансы на восстановление есть всегда. Главное – найти хорошего исполнителя с обкатанной технологией восстановления, поставщика качественных запчастей и ответственно отнестись к проверке получившего новую жизнь мотора.