Ремонт алюминиевых блоков цилиндров кольбеншмидт

Ремонт алюминиевых блоков цилиндров

Зачем блок цилиндров делать алюминиевым, ведь с чугуном уже давно отработана технология, да и ремонтный процесс хорошо налажен? Многие ссылаются на то, что алюминиевый блок цилиндров является неремонтопригодным. Так ли это на самом деле, подлежит ли двигатель ремонту и сколько это будет стоить владельцу?

Преимущества алюминиевого блока

Алюминиевый блок придумали не просто так, у него ещё есть куча преимуществ по сравнению с чугунным. В начале 90-х годов такие блоки начали устанавливать на топовые БМВ, значит они были достаточно мощными, но в то же время их преимуществом был существенно меньший вес по сравнению с чугунными- удельная масса алюминия меньше чугуна в 2,7 раза! А это уже серьёзный аргумент.

Вторым преимуществом является то, что материал блока такой же, как и материал поршней. Блок с поршнями имеют одинаковое линейное расширение при нагревании- значит можно уменьшить тепловой зазор до 0,01-0,02 мм, что в свою очередь сделает двигатель менее шумным. Такой малый зазор достигается благодаря одинаковому линейному расширению металлов в процессе нагревания, чего невозможно достичь в чугунном блоке.

И третье преимущество- теплопроводность алюминия выше, чем у чугуна, что позволяет алюминиевому блоку быстрее прогреваться и достигать рабочей температуры, равномерно распределяя выделяемое тепло. Также охлаждение будет значительно эффективнее, что позволит использовать меньше теплоносителя в блоке- можно немного уменьшить габариты.

Вот такие преимущества:

1. меньший вес двигателя
2. меньше зазор поршень-цилиндр- меньше шума
3. лучшая теплопроводность- двигатель быстрее прогревается и эффективнее охлаждается

Благодаря малому весу двигателя снижается расход топлива. При переходе от чугуна к алюминию удаётся снизить вес двигателя на 40-50%. А благодаря лучшей теплопроводности количество воды для охлаждения также может быть уменьшено.

Какие технологии применяются?

Так получилось, что и поршень алюминиевый, и стенки цилиндра тоже алюминиевые. В процессе работы, когда мягкий металл работает по мягкому металлу, такие поверхности будут прихватываться, и поршень сразу же заклинит в цилиндре. Для нормальной работы одна поверхность должна быть мягкой, а вторая твёрдой, как в чугунном блоке- мягкий алюминиевый поршень работает по твёрдому чугуну.

В случае с алюминиевым блоком сделали всё наоборот- поршни покрыли гальваническим слоем твёрдого железа, а поверхность цилиндра оставили мягкой алюминиевой. И теперь получилась всё та же рабочая пара железо-алюминий, которая зарекомендовала себя прекрасной работой.

С кольцами другая проблема- они сильно изнашивали алюминий на поверхности цилиндра. Решено было делать поверхность цилиндра из силумина с повышенным содержанием кремния- до 19%. Это позволило сделать поверхность цилиндра более твёрдой и износостойкой- теперь по ней могут работать только кольца с хромированным покрытием, потому что хром наиболее износостойкий при работе в паре с кремнием. Называется такая технология Alusil.

Особое место занимают блоки с покрытием Nicasil®- это сверхтвёрдое покрытие на основе никеля. Такое покрытие почти не изнашивается, а поршни могут применяться без железного покрытия, потому как твёрдое покрытие уже нанесено на стенки цилиндра. В таких моторах не используют хромированные кольца, так как два сверхтвёрдых материала будут быстро изнашиваться. Отлично в данном случае подойдут фосфатированные чугунные кольца- они не такие твёрдые.

На алюминиевых блоках цилиндров используются кольца с хромированной поверхностью, как наиболее износостойкие в паре трения с кремнием. Блок цилиндров изготавливается из алюминиевого сплава- силумина таким образом, что максимальная концентрация кремния сосредоточена на поверхности цилиндра. Также могут быть использованы силуминовые гильзы, которые заливаются в блоке.

Цельноалюминиевые блоки прекрасно растачиваются в ремонтный размер, что позволяет им быть ремонтопригодными, вопреки всем распространённым слухам об одноразовости моторов.

Технология ремонта

Ремонтируют алюминиевые блоки почти также, как и чугунные- либо растачивают цилиндр под поршни ремонтного размера, либо устанавливают гильзу и поршни стандартного размера.

Ремонтные размеры поршней как правило составляют +0,5 и +1,0, ремонтные поршни обязательно имеют покрытие слоем железа, иначе они прихватились бы к цилиндру сразу после начала работы. Сначала блок растачивают не расточном станке, а потом поверхность доводят хонингованием в 2-3 этапа, достигая зазора между поршнем и цилиндром в 0,01-0,02 мм.

После хонингования поверхность надо отполировать, обнажив кристаллы кремния из алюминиевой оболочки. Для этого используют фетровые башмаки с кремниевой пастой, установленные в хонинговальную головку. При этом с поверхности снимается слой алюминия примерно в 1 микрон, а кремниевая кристаллическая решётка обнажается на поверхности цилиндра.

Гильзовка алюминиевого блока цилиндров

Если повреждения блока более серьёзны, либо не нашлось ремонтных поршней и приходится использовать старые, то блок гильзуют алюминиевыми или чугунными гильзами.

Идеально подходят алюминиевые гильзы- материал имеет такое же линейное расширение, как и сам блок, поэтому с помощью них можно восстановить двигатель до заводских параметров. Недостаток- алюминиевые гильзы очень дорогие, из стоимость в несколько раз выше чугунной гильзы. Но для хорошего мотора цена может не играть такой большой роли.

Алюминиевая гильза

Алюминиевая гильза вставляется в блок с небольшим натягом- 0,04-0,06 мм, но запрессовать нахолодную- такая запрессовка приведёт только к задирам и не обеспечит правильного натяга. Чтобы установить гильзу необходимо обеспечит разность температур сопрягаемых деталей- нагреть блок до 180 градусов Цельсия, а гильзу желательно охладить сухим льдом или жидким азотом. Благодаря разнице температур у сопрягаемых поверхностей образуется некоторый зазор, благодаря тому, что при нагревании деталь расширяется, а при охлаждении наоборот сжимается. Теперь надо вставить гильзу- сразу до упора, если она вдруг прихватится где-то в промежуточном положении, то допрессовывать нельзя- алюминий сцепляется на кристаллическом уровне, и при последующем допрессовывании получатся задиры, что не обеспечит необходимый натяг.

Также застрявшую гильзу нельзя выпрессовывать- только заново растачивать блок под ремонтные размеры новой гильзы.

Если всё прошло успешно, то после выравнивания разности температур (блок охлаждается, гильза нагревается и принимают одну температуру) обеспечивается необходимый натяг.

Загильзованный W12 от VW

Осталось только плоскость поравнять.

Чугунная гильза

Более дешёвым вариантом ремонта является использование чугунных гильз. По такой технологии идеально также ремонтировать блоки с покрытием типа Никасил, которое хоть и очень твёрдое, но также повреждается, да и цилиндр может искривиться. Чугунная гильза может быть дешевле алюминиевой в несколько раз, а изготовить её могут практически на любом ремонтном предприятии.

Запрессовывать гильзу в блок нельзя, так как гильза твёрдая, а блок мягкий, что приводит к нагартовыванию алюминия и уменьшению натяга. Блок надо греть, а гильзу охлаждать, чтобы добиться преемлемой разности температур. При нагреве блока до 150 градусов и охлаждении гильзы до 0 градусов, зазор составит примерно 0,18-0,20 мм, что вполне достаточно, чтобы гильза свободно вошла и стала на своё место, даже усилий прикладывать не придётся.

Натяг	Зазор поршень-цилиндр	Температура нагрева блока при гильзовке
Алюминиевая гильза	0,04-0,06 мм	0,01-0,02 мм	180 ºC
Чугунная гильза	0,08-0,10 мм	0,04-0,08 мм	180 ºC

Для лучшей фиксации используют гильзы с буртом- они упираются буртом в поверхность блока и сверху прижимаются головкой блока, и в данном положении гильза не просядит. При этом поверхность гильзы должна быть идеально чистой- на применяются ни герметики, ни масло.

Основная проблема в ремонте данных двигателей, что мало специалистов, владеющих технологией с одной стороны и производитель автомобилей, который утверждает, что такие двигатели неремонтопригодны. Оно и понятно, производителю выгоднее продать новый двигатель по контракту, а среди автовладельцев- паника, что делать с одноразовой машиной. Но все слухи явно преувеличены.

Источник

Одноразовые, но не совсем: способы капремонта современных моторов

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.

Источник