Блок цилі́ндрів () — група циліндрів поршневої машини, виготовлених в одному загальному виливку, який є основною деталлю дво- і більше циліндрового поршневого двигуна внутрішнього згоряння або поршневого компресора.
Відливається, як правило, з чавуну, рідше — ливарних алюмінієвих або магнієвих сплавів. На блоці циліндрів є опорні поверхні для установки колінчастого валу. До верхньої частини блоку кріпиться головка блоку циліндрів, нижня частина утворює верхню частину картера. У нижній частині блока циліндрів розташовані опорні поверхні для встановлення колінчастого вала, у верхній частині блока, зазвичай, кріпиться головка блоку циліндрів. Нижня частина блока циліндрів є одночасно верхньою частиною картера. Крім того у нижній частині блока циліндрів двигуна розташовуються опорні поверхні розподільного вала механізму газорозподілу для конструкцій двигунів із нижнім його розташуванням (типи SV та OHV). Отже, блок циліндрів є базовою (корпусною деталлю) двигуна чи компресора, до якої так чи інакше кріпляться решта їх компонентів. Картер зчеплення на деяких двигунах йде в комплекті та обробляється спільно, і в такому випадку (як і кришки корінних підшипників) .
Блок циліндрів використовують у двигунах з рідинним охолодженням, причому порожнини блоку утворюють сорочку охолодження. У двигунах з повітряним охолодженням виготовлення циліндрів в одному блоці вагомих переваг не дає, і . Окрім функції корпусної деталі, блок циліндрів має додаткові функції: є основною частиною системи змащення — по каналах у блоці циліндрів моторна олива під тиском подається до місць змащення, а у двигунах рідинного охолодження — і системи охолодження: охолоджувальна рідина циркулює порожнинами блока циліндрів, що утворюють сорочку охолодження.
Історія Після появи поршневих двигунів, з метою покращення рівномірності обертання, масогабаритних показників, збільшення ККД (іскрові) та зниження вібрації, були створені багатоциліндрові конструкції. На ранніх двигунах, зважаючи на технологічні труднощі, картер кривошипного механізму приєднувався на болтах, часто були окремими циліндри, сорочки охолодження, водяні та масляні трубки.
У міру розвитку технологій лиття та верстатної обробки (тобто зменшення ймовірності дефектів настільки складної деталі) блок циліндрів об'єднав у собі верхню частину картера і всі циліндри. Це зменшило кількість деталей, їхню сумарну вагу, і збільшило жорсткість (що дозволяє, наприклад, форсувати двигуни по наддуву). Наразі такі назви як «блок двигуна», «блок циліндрів», «блок» можна почути у сервісі або серед водіїв, і всі вони належать саме до цієї єдиної деталі. Блок-картер є деталь, що об'єднує в собі блок і всі стінки картера (часто це ), але і її зазвичай називають так само.
Проте проблеми транспортного характеру досі змушують виготовляти великогабаритні суднові двигуни з окремим картером, окремими циліндрами, окремими головками. Основні суднові дизелі настільки великі і важкі (до 600..800 тонн), що перевозяться залізницею частинами і монтуються будівельними кранами . З експлуатаційних міркувань їх блоки і картери мають численні люки обслуговування і перевірки, і навіть головки циліндрів можуть мати .
Матеріал для виготовлення блоків циліндрів та гільз Основне джерело: Олександр Попов, П. Клюкін, Олександр Солнцев, Владислав Осипов, Віталій Гаєвський. Основи конструкції сучасного автомобіля. — 338 с. — ISBN 9785457387928.
Дивлячись по вибраній літровій масі (кг/л робочого об'єму), необхідних експлуатаційних характеристик, призначення, наступності та технологічності виготовлення конструкції при проектуванні вибирають один з варіантів компонування (розташування циліндрів), а також матеріал блоку циліндрів.
Циліндр працює в умовах змінних тисків у надпоршневій порожнині. Його внутрішні стінки контактують з полум'ям та гарячими газами, температура яких сягає 1500…2500°С. Середня швидкість ковзання поршневих кілець по стінках циліндра в автомобільних двигунах досягає 12…15 м/с в умовах недостатнього змащування. Тому матеріал стінок циліндрів повинен мати високу механічну міцність, а конструкція стінок — підвищену механічну жорсткість. Поверхні стінок циліндрів повинні добре протидіяти згаданим вище видам зношування. Крім цього матеріали для виготовлення циліндрів повинні мати добрі технологічні (ливарні) параметри, та здатність до обробки різанням.
Якщо немає жорстких обмежень по масі (стаціонарний, судновий, тракторний двигуни) то матеріалом для виготовлення блоків циліндрів зазвичай слугує перлітний сірий чавун (або ріжучий) з невеликим додаванням нікелю та хрому. Якщо ж потрібне зниження маси (транспортні двигуни), то може бути виправдане застосування легких алюмінієвих або (рідше) магнієвих сплавів. Найбільш важливе максимальне полегшення блоку циліндрів (та інших деталей) для поршневих авіаційних двигунів, тут економічно виправдані високолеговані сталі, легкі метали, і композити. При допустимій літровій масі 80-100 кг/л зазвичай застосовують чавун.
Чавун Перевагами сірого чавуну є:
низька ціна; висока технологічність лиття та мехобробки (стружка відколюється, високі режими різання); стабільність властивостей, включаючи термічні, мінімальне викривлення; високі демпфуючі властивості матеріалу; підвищена твердість, малочутливість до перегріву; можливість загортати кріплення (болти) безпосередньо в блок; зручність ремонту тріщин (запаювання латунню, заварка, епоксидний клей); висока твердість поверхонь, що дозволяє недбале поводження; висока зносостійкість та антифрикційні властивості дозволяють виготовляти циліндри заодно, без вставних гільз ; спрощення обробки корінних ліжок, оскільки кришки також чавунні; застосування сталевих, а не складових алюмінієвих штанг, у разі компонування з нижнім розподільним валом.
Основним недоліком чавунів є велика маса (щільність вища в 2,7 рази), і менша теплопровідність. Ливарні сталі для виливки блоків не застосовують, оскільки їхні ливарні властивості гірші, а товщини стінок і вага визначаються жорсткістю виливки, а не граничними характеристиками міцності. До того ж демпфування у сталей гірше.
В останні десятиліття для збільшення твердості циліндри чавунних блоків (або тільки гільзи) піддають лазерному відбілюванню: промінь проходить поверхню по спіралі, переплавляючи сірий чавун у білий тонкому шарі. Білий чавун має високу твердість, але обмежена товщина і висока твердість шару ускладнює при ремонті операцію розточування .
У разі виготовлення безгільзового блоку, його таврують у відповідність до діаметра розточування циліндрів. Зазвичай блоки розбивають за розмірами 0,01 мм. Це потрібно для встановлення на фабриці поршні відповідного відхилення і гарантує встановлений інструкцією невеликий монтажний зазор поршень-циліндр. Найчастіше таврування літерою (A, B, C, D, E) можна зустріти на нижній площині блоку вітчизняних двигунів. Звичайно, після розточування це втрачає сенс.
Алюмінієвий сплав Блоки циліндрів з алюмінієвих сплавів є легкими за масою і краще охолоджуються, однак у них виникає проблема із забезпеченням зносостійкості та ремонтопридатності стінок циліндрів. Тому на першому поколінні двигунів з алюмінієвим блоком застосовували вставні «мокрі» гільзи з сірого чавуну, що слугували стінками циліндрів і безпосередньо омивалися охолоджувальною рідиною. Ця конструкція, розроблена у 1930-х роках, набула поширення у 1950-х, причому лише у Європі, де її використовували виробники спортивних і дорогих представницьких машин (BMW, Jaguar, Rover, деякі італійські виробники), і в СРСР, де алюмінієві блоки циліндрів використовувались на автомобілях власної розробки, що окрім згаданих переваг давало можливість проводити економічно вигідний капітальний ремонт двигуна простою заміною гільз.
Алюмінієві сплави (кремнійміст) значно дорожчі, зате дозволяють знизити масу двигуна. Жорсткість (і можливість форсування) обмежені, особливо при використанні вставних гільз із нижнім базуванням (розтягують блок). Ці сплави мають ряд особливостей, які слід враховувати при виготовленні та експлуатації блоків:
необхідність вставної або залитої гільзи із твердого матеріалу; установка шпильок, щоб уникнути зриву різьблення з блоку; велика акуратність при ремонті, щоб уникнути пошкодження поверхонь; чавунні кришки підшипників вимагають великої твердості борштанг при розточуванні ліжок; точну затяжку кріплення (динамометр), щоб уникнути деформацій та/або вириву кріплення; суворе застосування некорродуючої охолодної рідини.
Алюмінієві блоки, крім чавунних вставних гільз, можуть бути хромовані, покриті нікасилом, алюсилом, або мати вставні алюсилові гільзи. У всіх цих випадках зменшується маса, але ремонт ускладнений.
У 1980-х роках почала набувати поширення технологія, за якою в алюмінієвий блок запресовувались тонкостінні «сухі» чавунні або композитні гільзи, що по всіх зовнішніх поверхнях контактували з алюмінієвим матеріалом. Такі двигуни досить поширені. Однак, такі блоки також не є позбавленими недоліків, оскільки коефіцієнти температурного розширення чавуну й алюмінієвого сплаву не є однаковими, що вимагає додаткових заходів для недопущення відривання гільзи від блока при прогріванні двигуна та потенційно зменшує його довговічність.
Альтернативний підхід до вирішення описаної проблеми передбачає використання суцільно алюмінієвого блока, стінки циліндрів у якому зміцнюють з використанням спеціальних технологій. Наприклад, на піонері цього напрямку — двигуні Chevrolet Vega 1971 року — блок виливався із алюмінієвого заевтектичного сплаву з вмістом до 17 % кремнію (фірмова назва Silumal®), а спеціальна обробка стінок циліндрів хімічним травленням збагачувала поверхневі шари кристалами кремнію (кислота спеціально підібраного складу вимивала алюміній, не зачіпаючи кремній), доводячи таким чином поверхневі шари до потрібного стану та твердості. Тим не менше, досвід виявився невдалим: двигун був дуже чутливим до якості мастильних матеріалів та до перегрівання, мав незадовільний ресурс і часто виходив з ладу набагато раніше від вичерпання нормативного ресурсу через знос стінок циліндра, відновлення яких виявилось дорогим і неможливим у звичних умовах ремонтних підприємств. Це спричинило гучні скандали і потягло за собою мільйонні збитки для компанії GM.
Надалі аналогічний матеріал і технологію його обробки було доведено до досконалості європейськими автовиробниками (Mercedes-Benz, BMW, Porsche, Audi) і у 1980— 90-х роках вона була запроваджена на серійних моделях авто під назвою Alusil® (марка сплаву AlSi17Cu4Mg) з використанням методу лиття під низьким тиском. Якщо глянути на шліф цього сплаву під мікроскопом, видно, що сплав не є однорідним: на фоні алюмінію видно темні острівці кремнію. Оброблене дзеркало такого циліндра своїми властивостями буде нагадувати хонінговане чавунне: моторна олива на ньому буде затримуватися, але не в борозенках від хона, а між виступаючими з алюмінію острівцями кристалів кремнію. Ці острівці, крім того, забезпечують необхідну твердість і створюють потрібну пару тертя «стінка блока — поршень». Такий блок циліндрів можна при ремонті навіть у певних межах розточувати, оскільки товщина зміцненого шару алюмінію з підвищеною концентрацією кремнію становить порядку декількох мікрон з повторним хімічним травленням після хонінгування з використанням спеціальних брусків. Тим не менше, чутливість таких блоків до перегрівання та якості мастильних матеріалів залишилась — такі двигуни вимагають високої культури експлуатації й обслуговування, а їх температурним режимом повинна керувати електроніка.