Блок циліндрів: як він з’явився, розвивався і навіщо взагалі потрібен

На перший погляд, поставлене в заголовку запитання виглядає безглуздо. Що значить «навіщо взагалі потрібен блок циліндрів»? Він представляється як якась вічна даність, як основа всього і вся. Але ж у перших автомобілів з ДВЗ ніякого блоку циліндрів не було! Зараз, довгими січневими вечорами, саме час повернутися до самих-самих витоків, згадати «лихі 30-ті» і простежити еволюцію від примітивних конструкцій кінця XIX століття до сучасних алюсилових моторів. І переконатися, наскільки багато спільного вони мають.

Цивільне моторобудування — це дуже консервативна галузь. Усе ті самі колінчастий вал, поршні, циліндри, клапани, як і 100 років тому. Дивовижні безшатунні, аксіальні та інші схеми ніяк не хочуть впроваджуватися, доводячи свою непрактичність. Навіть двигун Ванкеля, великий прорив шістдесятих, фактично залишився в минулому.

Усі сучасні «нововведення», якщо придивитися, лише впровадження перегонових технологій п’ятдесятирічної давнини, приправлене дешевою у виробництві електронікою для точнішого керування «залізяками». Прогрес у будівництві двигунів внутрішнього згоряння — радше в синергії невеликих змін, аніж у глобальних проривах.

І скаржитися начебто гріх. Про надійність і ремонтопридатність цього разу не будемо, а потужність, чистота й економічність сучасних двигунів для людини з сімдесятих років здалися б справжнім дивом. А якщо відмотати ще кілька десятиліть?

Сотню років тому мотори були ще карбюраторні, із запалюванням від магнето, зазвичай нижньоклапанні або навіть з «автоматичним» впускним клапаном… І ні про які наддуви ще й не думали. А ще старі-старі двигуни не мали деталі, яка зараз є головним його компонентом — блоку циліндрів.

До впровадження блоку

Перші мотори мали картер, циліндр (або кілька циліндрів), але блоку в них не було. Ви здивуєтеся, але основа конструкції — картер — частенько був негерметичним, поршні і шатуни були відкриті всім вітрам, а змащувалися з маслянки крапельним способом. Та й саме слово «картер» складно застосувати до конструкції, що зберігає взаємне положення колінчастого вала і циліндра у вигляді ажурних кронштейнів.

У стаціонарних двигунів і суднових подібна схема зберігається і донині, а автомобільні ДВЗ все ж потребували більшої герметичності. Дороги завжди були джерелом пилу, який сильно шкодить механізмам.

Першопрохідцем у царині «герметизації» вважається компанія De Dion-Bouton, яка 1896 року запустила в серію мотор із циліндричним закритим картером, усередині якого розміщувався кривошипно-шатунний механізм.

Щоправда, газорозподільний механізм з його кулачками і штовхачами розміщувався ще відкрито — це було зроблено заради кращого охолодження і ремонту. До речі, до 1900 року ця французька компанія виявилася найбільшим виробником машин і ДВЗ у світі, випустивши 3 200 моторів і 400 автомобілів, тому конструкція справила сильний вплив на розвиток моторобудування.

…і тут з’являється Генрі Форд

Перша масова конструкція з цільним блоком циліндрів досі залишається однією з наймасовіших машин в історії. Модель Ford T, що з’явилася 1908 року, мала чотирициліндровий мотор із чавунною головкою блоку, нижніми клапанами, чавунними поршнями і блоком циліндрів — знову ж таки з чавуну. Об’єм мотора був цілком «дорослий» на ті часи, 2,9 літра, а потужність у 20 к. с. ще довго вважали цілком гідним показником.

Дорожчі і складніші конструкції в ті роки хизувалися роздільними циліндрами і картером, до якого вони кріпилися. Головки циліндрів часто були індивідуальними, і вся конструкція з головки циліндра і самого циліндра кріпилася до картера шпильками. Після появи тенденції до укрупнення вузлів картер часто залишався окремою деталлю, але блоки по два-три циліндри все ще були знімними.

У чому сенс поділу циліндрів?

Конструкція з окремими знімними циліндрами має зараз дещо незвичний вигляд, але до Другої світової війни, незважаючи на нововведення Генрі Форда, це була одна з найпоширеніших схем. У авіаційних моторів і двигунів повітряного охолодження вона збереглася і понині. А у «повітряного опозитника» Porsche 911 series 993 аж до 1998 року ніякого блоку циліндрів не було. Так навіщо ж розділяти циліндри?

Циліндр у вигляді окремої деталі — штука взагалі-то досить зручна. Його можна зробити зі сталі або будь-якого іншого відповідного матеріалу, наприклад, бронзи або чавуну. Внутрішню поверхню можна покрити шаром хрому або нікельвмісних сплавів, за необхідності зробивши її дуже твердою. А зовні наростити розвинену сорочку для повітряного охолодження. Механічна обробка порівняно компактного вузла буде точною навіть на доволі простих верстатах, а за умови гарного розрахунку кріплення теплові деформації будуть мінімальними. Можна зробити гальванічну обробку поверхні, благо деталь невелика. Якщо у такого циліндра з’явився знос або інші пошкодження, то його можна зняти з картера мотора і поставити новий.

Мінусів теж вистачає. Крім більш високої ціни і високих вимог до якості складання моторів з роздільними циліндрами серйозним недоліком є низька жорсткість такої конструкції. А отже — підвищені навантаження і знос поршневої групи. Та й з водяним охолодженням поєднувати «принцип роздільності» виходить не дуже зручно.

З мейнстриму мотори з роздільними циліндрами пішли вже дуже давно — мінуси переважили. До середини тридцятих років в автомобілебудуванні подібні конструкції вже майже не зустрічалися. Різноманітні комбіновані конструкції — наприклад, з блоками з декількох циліндрів, загальним картером і головкою блоку — траплялися на дрібносерійних люксових авто з об’ємними моторами (можна згадати призабуту марку Delage), але до кінця 30-х це все вимерло.

Перемога суцільночавунної конструкції

Звична нам сьогодні конструкція перемогла завдяки своїй простоті та низькій вартості виготовлення. Велике відливання з дешевого і міцного матеріалу після точної механообробки виходить все одно дешевшим і надійнішим, ніж окремі циліндри та ретельне складання всієї конструкції. А на нижньоклапанних моторах клапани і розподільний вал розташовуються тут же, в блоці, що ще більше спрощує конструкцію.

Сорочка системи охолодження відливалася у вигляді порожнин у блоці. Для особливих випадків можна було застосувати й окремі гільзи циліндрів, але мотор на Ford T таких вишукувань не мав. Чавунні поршні зі сталевими компресійними кільцями працювали прямо по чавунному циліндру. І до речі, маслоз’ємне кільце у звичному нам вигляді там було відсутнє, його роль виконувало нижнє третє компресійне кільце, розташоване нижче поршневого пальця.

Така «суцільночугунієва» конструкція довела свою надійність і технологічність за багато років виробництва. І була перейнята у Форда такими масовими виробниками, як GM, на довгі наступні роки.

Щоправда, відливання блоків з великою кількістю циліндрів виявилося технологічно складним завданням, і чимало моторів мали по два-три напівблоки з кількома циліндрами в кожному. Так, рядні «шістки» тридцятих років іноді мали два трициліндрових напівблоки, а вже рядні «вісімки» і поготів виготовляли за такою схемою. Наприклад, найпотужніший мотор Duesenberg Model J був виготовлений саме так: два напівблоки були накриті єдиною головкою.

Утім, на початку сорокових років прогрес дав змогу створювати і цільні блоки такої довжини. Наприклад, блок Chevrolet Straight-8 «Flathead» був уже цілісним, що знижувало навантаження на колінчастий вал.

Чавунні гільзи в чавунному ж блоці теж були досить вдалим рішенням. Високоміцний легований хімічно стійкий чавун коштував дорожче за звичайний, і відливати з нього весь великий блок не мало сенсу. А ось порівняно невелика «мокра» або «суха» гільза виявилася хорошим варіантом.

Освоєна в довоєнні ще роки принципова конструкція моторів не змінюється багато десятиліть поспіль. Блоки циліндрів багатьох сучасних моторів відлиті з сірого чавуну, іноді зі вставками з високоміцного в зоні верхньої мертвої точки. Наприклад, чавунний блок має цілком сучасний Renault Kaptur з мотором F4R, про обслуговування якого ми писали днями. Чавун гарний, зокрема, тим, що блок із нього легко піддається капремонту розточуванням циліндрів більшого діаметра. Якщо, звичайно, виробник випускає поршні «ремонтного» розміру.

Щоправда, з роками блоки стають все більш «ажурними» і менш масивними. Щодо ранніх блоків цифри знайти складно, але давайте візьмемо два сімейства моторів з різницею трохи більше ніж у 10 років. У блоку серії GM Gen II середини 90-х товщина стінки моторів коливалася від 5 до 9 мм. У сучасного VW EA888 кінця 2000-х — уже від 3 до 5. Але ми явно забігаємо вперед…

Робимо блок легшим

Потоншення стінок, чим щосили займаються конструктори останніми роками, — це, як ви розумієте, не єдиний спосіб знизити вагу блоку. У 20-30-ті роки про економію маси і палива думали істотно менше, ніж зараз, але перші спроби полегшення робилися. І вже тоді додумалися використовувати алюміній.

На перегонових і спортивних машинах тієї епохи можна було зустріти симбіоз з алюмінієвого картера і головки блоку з чавунним литтям блоків циліндрів. Потім прогрес у металообробці дав змогу створити зручніший варіант подібного симбіозу. Блок циліндрів залишався цілісним, але його відливали з алюмінію, що знижувало його масу в три-чотири рази, зокрема і за рахунок кращих ливарних якостей металу. Самі ж циліндри виготовляли у вигляді чавунних гільз, які запресовували в блок.

Гільзи ділилися на «сухі» і «мокрі», різниця загалом зрозуміла з назви. У блоках із сухою гільзою її вставляли в алюмінієвий циліндр (або навколо неї відливали блок) із натягом, а «мокру» гільзу просто закріплювали в блоці нижнім кінцем, а під час встановлення ГБЦ порожнину навколо перетворювали на сорочку охолодження. Другий варіант виявився перспективнішим на той момент, оскільки спрощував відливання і знижував масу деталей. Але надалі зростання вимог до жорсткості конструкції, а також складність складання подібних двигунів залишили цю технологію «за бортом» прогресу.

Сухі ж гільзи в алюмінієвому блоці — це і зараз найпоширеніший варіант виготовлення деталі. І один із найвдаліших, адже чавунна гільза виготовляється з високоякісного легованого чавуну, алюмінієвий блок жорсткий і легкий. До того ж теоретично ця конструкція ще й ремонтопридатна, як і чавунні блоки. Адже зношену гільзу можна «вийняти» і запресувати нову.

Що далі?

Єдина принципово нова технологія останніх років — це ще більш легкі блоки з напиленням надміцного і надтонкого шару на внутрішню поверхню циліндрів. Детально про плюси і мінуси, і навіть про способи капремонту подібних конструкцій я вже писав — повторюватися сенсу немає. Концептуально ми маємо все той же ДВЗ зразка 30-х років. І є всі підстави вважати, що до кінця «ери внутрішнього згоряння», коли доведуть до розуму електромобілі, мотори на рідких вуглеводнях залишаться приблизно такими ж.