El bloque de cilindros es la parte principal del mecanismo de cigüeñal ( KSHM ) de un motor de combustión interna de pistón de dos o más cilindros . Es una pieza fundida de una sola pieza que combina los cilindros del motor. Por lo general, se funde de hierro fundido , con menos frecuencia de aluminio fundido o aleaciones de magnesio [1] . Sobre el bloque de los cilindros hay unas superficies básicas para la instalación del árbol acodado . La culata está unida a la parte superior del bloque, la parte inferior forma la parte superior del cárter . Así, el bloque de cilindros es la parte principal del cuerpo del motor, al cual, de una forma u otra, se unen sus otras unidades y componentes [2] . La carcasa del embrague en algunos motores viene con un kit y se procesa en conjunto, y en este caso (al igual que las tapas de los cojinetes principales ) no debe despersonalizarse durante las reparaciones [3] .
El bloque de cilindros se utiliza en motores refrigerados por líquido y las cavidades del bloque forman una camisa de refrigeración. En los motores enfriados por aire , la fabricación de cilindros en un bloque no brinda ventajas significativas y, por lo tanto, casi nunca se usa .
Después de la llegada de los motores de pistón, con el fin de mejorar la uniformidad de los indicadores de rotación, peso y tamaño, aumentar la eficiencia (chispa) y reducir la vibración , se crearon estructuras multicilíndricas [4] . En los primeros motores, debido a dificultades tecnológicas, el cárter estaba atornillado, a menudo había cilindros separados, camisas de enfriamiento, tuberías de agua y aceite.
Con el desarrollo de tecnologías de fundición y mecanizado (es decir, reduciendo la probabilidad de unión de una pieza tan compleja), el bloque de cilindros combinó la parte superior del cárter y todos los cilindros [5] . Esto redujo el número de piezas, su peso total y aumentó la rigidez (lo que permite, por ejemplo, forzar los motores a impulsarse ) . Ahora nombres como "bloque de motor", "bloque de cilindros", "bloque" se pueden escuchar en el servicio o entre los conductores, y todos se refieren a esta pieza única. El cárter de bloque es una pieza que combina el bloque y todas las paredes del cárter (a menudo es un cárter de bloque de túnel ), pero también se le suele llamar igual [6] .
Sin embargo, las dificultades de transporte aún obligan a la fabricación de motores marinos de gran tamaño con cárter separado, cilindros separados, cabezas separadas. Los principales motores diesel marinos son tan grandes y pesados (hasta 600..800 toneladas [7] ) que se transportan por ferrocarril en partes y se ensamblan con grúas en el sitio. Por razones operativas, sus bloques y cárteres tienen numerosas escotillas de mantenimiento e inspección [7] , e incluso las culatas pueden tener válvulas desmontables con asientos .
Dependiendo de la masa de litros seleccionada (kg / l de volumen de trabajo ), las características de rendimiento requeridas, el propósito, la continuidad y la capacidad de fabricación de la estructura durante el diseño, se selecciona una de las opciones de diseño (disposición de cilindros), así como el material del bloque de cilindros [8] .
Los cilindros funcionan en condiciones de presiones variables en la cavidad sobre el pistón. Sus paredes internas están en contacto con llamas y gases calientes calentados a una temperatura de 1500 a 2500 °C. La velocidad de deslizamiento promedio de los anillos de pistón a lo largo de las paredes de los cilindros de los motores de automóviles alcanza los 12-15 m / s, o más (carreras). Por lo tanto, el material utilizado para fabricar el bloque de cilindros debe tener una alta resistencia mecánica y la estructura de la pared en sí debe tener suficiente rigidez. Las paredes del cilindro deben resistir el roce con lubricación limitada y tener una alta resistencia general a otros tipos de desgaste (abrasivo, corrosivo y algunos tipos de erosión) que reducen la vida útil del cilindro . A todo esto, los materiales utilizados para la fabricación de cilindros deben tener buenas propiedades de fundición y ser fácilmente mecanizables.
Si no hay restricciones estrictas en el peso (motores estacionarios, marinos, tractores), entonces el material del bloque es hierro fundido perlítico gris (menos maleable ). Si se requiere una reducción de peso (motores de vehículos), entonces puede justificarse el aluminio ligero o (con menos frecuencia) aleaciones de magnesio (para vehículos con recuperación de energía de frenado, como los automóviles híbridos , la reducción de peso tiene menos efecto en el consumo de combustible). El más importante es el aligeramiento máximo del bloque de cilindros (y otras partes) para motores de aviones alternativos, aquí se justifican económicamente los aceros más aleados, los metales ligeros y los compuestos. Con un peso por litro admisible de 80-100 kg/l, se suele utilizar hierro fundido [9] .
Hierro fundidoLas ventajas de la fundición gris son [10] :
La principal desventaja de los hierros fundidos es su gran masa (la densidad es 2,7 veces mayor) y su menor conductividad térmica . Los aceros colados no se utilizan para colar bloques, ya que sus propiedades de colado son peores, y el espesor de pared y el peso están determinados por la rigidez del colado, y no por las características de resistencia última. Además, la amortiguación de los aceros es peor.
En las últimas décadas, para aumentar la dureza, los cilindros de bloques de hierro fundido (o simplemente manguitos) se someten a un blanqueo con láser : el rayo pasa la superficie en espiral, fundiendo el hierro fundido gris en una capa delgada blanca. La fundición blanca tiene una alta dureza, pero el espesor limitado y la alta dureza de la capa dificultan la reparación en la operación de mandrinado [11] .
En el caso de la fabricación de un bloque sin mangas, se marca de acuerdo con el diámetro del orificio del cilindro. Normalmente, los bloques se dividen por tamaño hasta 0,01 mm. Esto es necesario para ajustar los pistones a la desviación adecuada en la fábrica y garantiza la pequeña holgura de montaje pistón-cilindro especificada en las instrucciones. La mayoría de las veces, la marca con la letra (A, B, C, D, E) se puede encontrar en el plano inferior del bloque de motores domésticos [12] . Eso sí, después de aburrir pierde su significado.
Aleación de aluminioLas aleaciones de aluminio (que contienen silicio) son mucho más caras, pero pueden reducir el peso del motor. La rigidez (y la capacidad de fuerza) son limitadas, especialmente cuando se utilizan manguitos de inserción con base inferior (estiran el bloque). Estas aleaciones tienen una serie de características que deben ser consideradas en la fabricación y operación de bloques [13] :
En la década de 1980, se prensaron mangas de hierro fundido "secas" de paredes delgadas rodeadas de aluminio en un bloque de aluminio. Tales motores son bastante comunes [15] . Pero dado que los coeficientes de expansión térmica del hierro fundido y el aluminio no son los mismos, esto requiere medidas para evitar que el manguito se rompa del bloque cuando el motor se calienta y reduce potencialmente su durabilidad.
Los bloques de aluminio, a excepción de los manguitos de inserción de hierro fundido, pueden ser cromados , revestidos con nikasil , alusil o tener manguitos de inserción de alusil. En todos estos casos, la masa se reduce, pero la reparación es difícil.
En el motor Chevrolet Vega de 1971 , el bloque se fundió con una aleación que contenía hasta un 17 % de silicio (nombre comercial Silumal), pero la experiencia no tuvo éxito: cualquier raspadura en el espejo del cilindro era fatal para él, razón por la cual el motor se apagó. ser muy sensible a la calidad de los lubricantes y al sobrecalentamiento, y a menudo fallaba por completo mucho antes del período indicado debido al desgaste de las paredes del cilindro, cuya restauración era imposible fuera de las condiciones de fábrica. Esto provocó un escándalo y pérdidas millonarias para GM . La tecnología mejorada en los años 80 y 90 fue utilizada por las empresas europeas Mercedes-Benz , BMW , Porsche , Audi .
En los años 60 y 70 se usó una tecnología Nicasil alternativa: revestimiento de níquel en las paredes de los cilindros de aluminio con pulverización catódica de cristales de carburo de silicio para motores de autos deportivos caros , en particular los que se usan en la Fórmula 1. . De los motores modernos, los motores BMW M60 y M52 tenían tales bloqueos, y sus ventas en algunos países estuvieron acompañadas de un escándalo: Nikasil fue destruido por reacción con ciertos combustibles que contenían una alta concentración de azufre (que es típico, en particular, para algunos regiones de los EE.UU. y Rusia) [16] . La principal desventaja de "nikasil" es que la fina capa de níquel se daña fácilmente, por ejemplo, cuando se rompe una biela o se quema un pistón , y el bloque no se puede restaurar.
Hace relativamente poco tiempo, la empresa alemana Kolbenschmidt también ha desarrollado una tecnología en la que los manguitos de aluminio y silicio prefabricados se prensan en un bloque de aluminio convencional, que tiene paredes reforzadas con un mayor contenido de silicio (hasta un 27%) (tecnología Locasil), esto reduce el costo y resuelve parcialmente el problema de mantenibilidad. Todas las opciones excepto la última no permiten moler el bloque.
Magnesio y otrosLos bloques de aleación de magnesio pueden reducir aún más el peso del bloque que el uso de aluminio. La mayor eficiencia de esto se logra en potentes motores de gasolina de automóviles de alta velocidad [17] [18] . Pero las aleaciones de fundición de magnesio son casi tan caras como las aleaciones de aluminio, tecnológicamente más difíciles y las propiedades mecánicas del magnesio son algo peores (la menor ductilidad da como resultado una disminución de la resistencia a la fatiga frente a las aleaciones de aluminio). Esto le permite obtener una ganancia de peso principalmente en motores deportivos altamente especializados [19] . Algunas excepciones son el motor Zaporozhets con un cárter de aleación de magnesio de aviación ML-5 (y cilindros de hierro fundido separados), la motosierra Druzhba-4. La dureza y la resistencia a la corrosión de las aleaciones de magnesio suelen ser inferiores a las de las aleaciones con predominio de aluminio. Ni siquiera puede atornillar sujetadores de acero directamente en un bloque de magnesio, solo a través de tornillos de aluminio o usando pernos de aluminio [20] . Sin embargo, las aleaciones de magnesio tienen una amortiguación muy alta [21] y, por lo tanto, estos motores son más silenciosos.
Los bloques hechos de aleaciones ligeras son más agradables estéticamente y dan la impresión de una cultura de alta producción. Tanto los bloques de aluminio como los de magnesio, cuando se utilizan revestimientos de fundición o un revestimiento duro (Alusil, Nikasil), tienen coeficientes de expansión casi iguales a los del pistón, por lo que la holgura de montaje del pistón puede ser menor. Cuando se calienta un motor con bloque de aluminio, la biela de acero se alarga menos, por lo que la relación de compresión disminuye algo con respecto a un motor frío, lo que también es una diferencia ventajosa.
La empresa americana Crosley producía motores CoBra (Copper Brazed = “soldadura fuerte con soldadura de cobre”) con un bloque de cilindros de chapa estampada unida por soldadura con soldadura de cobre. Estos motores fueron usados originalmente como generadores en la aviación y la marina , y en tales condiciones tenían un recurso motor aceptable, sin embargo, cuando se usaban en un pequeño automóvil de pasajeros, resultaban poco confiables, razón por la cual fueron reemplazados por motores de tipo convencional. bloque de hierro fundido.
Se realizaron experimentos para crear un motor de plástico, con refuerzo de aramida [22] .
En los albores del automovilismo, también se podían utilizar bloques de cilindros de bronce [23] , debido a la alta capacidad de fabricación de esta aleación durante la fundición.
El diseño del bloque está determinado por la disposición de cilindros seleccionada. El diseño en línea es tecnológicamente el más simple, da un bloque bastante pesado, pero aburrir no es difícil. Opciones de cigüeñal: cojinete completo y cojinete parcial [24] , instalación en cojinetes de bolas o revestimientos [25] . El bloque puede tener pasajes de fluido entre los cilindros o (raramente, en los pequeños) no tenerlos. En este último caso, se ahorra tamaño y peso. La disposición en línea de los cilindros es la más común en los grandes motores diésel marinos, donde la facilidad de montaje y mantenimiento es más importante que el peso por litro.
El motor en forma de V tiene dos versiones del bloque: con el desplazamiento de los bloques izquierdo y derecho entre sí (bielas adyacentes en el cuello) o sin desplazamiento (biela arrastrada, relaciones de compresión desiguales en los bloques izquierdo y derecho) . Los cojinetes principales también son deslizantes o rodantes. Estas dos primeras opciones (en línea y en forma de V) están muy extendidas en la industria del automóvil . Entre otros requisitos, es más difícil que los motores multibloque satisfagan la condición de equilibrado completo del motor para el número de cilindros inferior a 12, mientras que el motor de 6 cilindros en línea está totalmente equilibrado [26] . El bloque del motor Junkers V "invertido" no difería mucho en lo fundamental, sus principales diferencias estaban en las partes adjuntas (dichos motores se usaban ampliamente en la aviación de pistón).
Los motores en forma de W y en forma de estrella [27] dan un bloque aún más compacto y un eje corto, lo que reduce el peso del bloque del motor, pero tienen menos rigidez que las dos primeras opciones y son difíciles de reparar. Fueron ampliamente utilizados antes de ser reemplazados por turbinas de gas en aerodeslizadores , barcos de caza (frontera), aviones de hélice . En forma de estrella todavía tienen uso en algunos tipos de helicópteros . Para mantener el nivel requerido de confiabilidad, requieren una alta cultura de producción y un mantenimiento/reparación intensivo en mano de obra. El costo de tales motores es bastante alto.
En todos los casos, las dimensiones del bloque están determinadas por tres cantidades: el diámetro del cilindro, la carrera del pistón y la cantidad de cilindros. El bloque es una pieza compleja que experimenta cargas alternas complejas con cargas térmicas, por lo tanto, solo se puede calcular de forma aproximada. Después de la fabricación de una nueva versión del bloque de cilindros, se somete a largas pruebas en un banco de motor para encontrar y eliminar las debilidades del diseño, incluido el uso de galgas extensométricas. El bloque de cilindros debe tener suficiente rigidez (alta) para evitar la ovalización inaceptable del cilindro y el desgaste del pistón. La rigidez del cárter también es importante, lo que garantiza un funcionamiento fiable sin rozaduras de los cojinetes (principales) del bastidor, así como un descanso suficiente antes de perforar las camas para evitar desalineaciones en caso de una posible deformación del bloque.
El diámetro y la cantidad de cilindros los determina el cliente (continuidad del diseño, forzado y depuración) o se calculan a partir de los resultados de un cálculo térmico y se refinan durante el proceso de depuración. Por lo general, las pruebas de motor identifican y eliminan los puntos débiles del bloque de cilindros. Para aumentar la rigidez del conjunto del bloque de cilindros con el cárter, el eje del conector del cárter se realiza por debajo del eje del eje; en algunos casos, se utiliza una estructura de bastidor de rodamientos incluso en motores de automóviles (Mitsubishi Mini Cab, motor de 0,8 l).
Las siguientes superficies de bloque se procesan de la manera más limpia y precisa: lechos de cojinetes principales, orificio del árbol de levas (o bujes del árbol de levas), superficies de asiento de la camisa (si las hay), superficie del cilindro, plano o planos de acoplamiento con cabezas de bloque. La limpieza y uniformidad de estas superficies es de gran importancia durante el montaje, incluso una pequeña pieza de junta adherida (óxido, abolladura, grieta ) puede provocar una penetración de aceite, anticongelante o gases en este lugar, arruinando el largo trabajo del cuidador. Por lo tanto, los aviones se inspeccionan y limpian con especial cuidado, y las camas y los bujes se verifican con un calibre interno para determinar el tamaño y la falta de redondez (con yugos apretados). Si los aviones están dañados, la mayoría de las veces deben rectificarse [28] , y durante el montaje será necesario tener en cuenta el cambio de tamaño (por ejemplo, un aumento en la protuberancia del pistón) y tomar las medidas necesarias (por ejemplo , recortar los pistones).
Tipo de refrigeraciónLas principales opciones son refrigeración por agua y aire [29] . El aceite se utiliza para algunos motores de diseño especial con mayor eficiencia, que funcionan con aceites vegetales. La refrigeración por agua (anticongelante) se utiliza con mayor frecuencia, lo que permite una mayor libertad en la ubicación de la salida de aire caliente (incluido su uso para la calefacción interior en invierno). Los motores de transporte en máquinas que se mueven a alta velocidad disipan fácilmente el calor en el radiador utilizando el flujo de aire que se aproxima. Dado que al aumentar la potencia entregada por el motor, también aumenta la velocidad de soplado del radiador, estas características están coordinadas.
El enfriamiento por aire requiere cilindros con aletas, que casi siempre están separados en tales motores. La ventaja es la simplicidad mecánica y la reducción de peso, salida rápida del motor al régimen térmico de funcionamiento. Sin embargo, la tarea de mantener el régimen térmico óptimo en un amplio rango de cargas y temperaturas del aire entrante se vuelve más complicada. Además, dicho motor es más ruidoso ("campana"), ya que el ruido de combustión a través de las paredes delgadas del manguito transmite vibraciones a las altas aletas de enfriamiento. Por lo tanto, esta opción de enfriamiento en automóviles ya no es popular, pero se encuentra en motores estacionarios, cultivadoras , cortadoras de césped , tractores y motocicletas ; tuvo la aplicación más amplia en motores de pistón de aviones.
Cuando se enfría con agua, el bloque puede tener manguitos de inserción o estar hecho de una sola pieza, es decir, los orificios se taladran en la propia fundición del bloque. La primera opción es más común en bloques de pequeño tamaño, especialmente en línea. Los canales de agua pueden funcionar en serie de cilindro a cilindro (modelos pequeños o heredados) o en paralelo. En este último caso, la distribución del agua se realiza mediante canales en la(s) culata(s) [30] .
Los bloques modernos tienen una pequeña altura de la camisa de enfriamiento, 50-60% de la longitud de la manga, en contraste con los diseños antiguos. Esto reduce el volumen de líquido (acelera el calentamiento) y es suficiente para mantener el régimen térmico del cilindro (ya que la transferencia de calor en la parte inferior del manguito es relativamente pequeña).
Tipo de lubricaciónEl tipo de lubricación seleccionado (por salpicadura, presión central o individual) determina la ubicación de los orificios de aceite, los orificios en las camas y el cigüeñal. La presión individual (con suministro de aceite a cada cama) es la más común, la central todavía se usa en motores diésel obsoletos ( UTD-20 , 7D6 , 7D12).
La presencia de mangas removiblesTiene sus pros y sus contras. Al mismo tiempo, la reparación siempre se acelera, ya que el mandrinado se reemplaza por un simple reemplazo del manguito, no hay necesidad de reparar las dimensiones, hay menos desviación en el espesor del cilindro durante la fabricación, se simplifica la fundición en bloque, se Es posible utilizar hierro fundido de mayor calidad en los manguitos que en un bloque de fundición gris. Algunos motores sin línea tienen un inserto de hierro fundido de calidad en la parte superior del cilindro como una solución más económica al problema de los recursos.
Sin embargo, la instalación de manguitos aumenta el costo y reduce en parte la confiabilidad (paso de líquido a través del sello inferior). Además, dicho bloque es siempre más pesado, ya que el manguito trabaja en compresión y el bloque se estira (cierre de fuerza más largo). Cuando la manga se basa en la parte superior, la ponderación disminuye. El volumen de procesamiento mecánico también aumenta [31] . Los motores diesel extranjeros de tamaño mediano suelen tener un revestimiento en el medio para reducir en consecuencia la altura de la camisa de enfriamiento y reducir el peso en comparación con la opción de base inferior. Los manguitos removibles suelen tener de 2 a 3 anillos de sellado, y en la práctica extranjera el anillo inferior suele ser un anillo de seguridad, y tiene una perforación delante para que salga el anticongelante. Si una fuga comienza desde la perforación, significa que los anillos superiores han perdido su elasticidad (sobrecalentamiento) y el motor necesita reparación. Este diseño elimina la entrada de anticongelante en el aceite con un posible desgaste del cigüeñal y, por lo tanto, es muy exitoso.
Durante el funcionamiento normal, se observa un desgaste gradual de la superficie del cilindro. Si el bloque de cilindros no tiene camisas reemplazables, al alcanzar el tamaño límite, se perfora al siguiente tamaño de reparación, con la instalación del pistón correspondiente. Es posible empujar hacia atrás el orificio durante un cierto tiempo instalando los anillos de la próxima reparación con su ajuste, pero es posible que deba soportar el golpe de los pistones fríos y un consumo de aceite ligeramente mayor. Si el bloque tiene camisas reemplazables, entonces deben reemplazarse con anillos y (generalmente) con pistones [32] .
Importante : al instalar anillos en un bloque no perforado, debe establecer el espacio en la cerradura no en la parte superior, donde hay más desgaste, sino en la parte inferior. No hace falta facturar en una banda superior sin usar, ya que las anillas no llegan hasta ella. Sin embargo, es útil limpiar este cinturón de hollín con un "cero" para facilitar la instalación de anillos.
Todos los demás fallos de funcionamiento del bloque de cilindros se deben a un funcionamiento inadecuado o a defectos de fábrica. Cuando el bloque se descongela, su camisa se agrieta por fuera, y debe soldarse con argón (aleación de aluminio), soldar con latón o pegar con cola epoxi (bloque de hierro fundido). Las grietas que han surgido en lugares no críticos se pueden soldar (hierro fundido, con un electrodo con un marcador negro, aluminio, con soldadura de argón), los lugares corroídos debajo de las mangas se pueden soldar y perforar.
Los defectos de fábrica pueden tener dos causas: errores de diseño que conducen a la destrucción sistemática (fisuras) en un gran porcentaje de bloques y defectos en el transportador. Por ejemplo, después de la fundición (pero antes del mecanizado), la pieza de trabajo debe sufrir una relajación de tensión natural o artificial. Cuando, en relación con las reformas en AvtoVAZ , se redujo el ciclo de almacenamiento del almacén, hubo un rechazo masivo (alabeo) de bloques después del mecanizado. Por lo tanto, fue necesario introducir el mantenimiento de las piezas fundidas a una temperatura para la relajación de tensiones. Son posibles tales tipos de unión como la salida de la camisa (grietas, fístulas), salidas de defectos en la superficie del cilindro, desviaciones dimensionales, deformaciones. En algunos casos, tal matrimonio de fábrica puede eliminarse.
En caso de confundir las tapas de los cojinetes principales, puede ser necesario perforar las camas; después de que las tapas estén asentadas por el valor requerido de 2 a 4 mm y las camas estén bien asentadas, se perforan con una barra perforadora. Lo mismo se hace después de tornear los insertos, si el bloque es caro y se dispone de un buen equipo de máquina.
En el caso de que un espárrago roscado se salga del bloque, se perfora una pieza rota (si queda), luego se corta una rosca agrandada y se atornilla un espárrago de reparación. Tales problemas ocurren con mayor frecuencia en bloques de aluminio. En caso de daño a la junta de gas en un bloque con una manga seca, la superficie se rectifica hasta eliminar el defecto. Al mismo tiempo, es necesario controlar la protuberancia de los pistones sobre el plano durante el montaje; si se excede la norma, los pistones deberán afilarse al tamaño para evitar la colisión con la cabeza. En vista de la variedad de diseños de bloques, generalmente se debe confiar en las instrucciones de reparación para el motor respectivo.