О технологических и иных преимуществах алюминиевых блоков цилиндров на основе информации, полученной от самих создателей моторов ЗМЗ, а также о являющихся оборотной стороной этих преимуществ проблемах и причинах отказа от них на более поздних поколениях моторов того же завода.
Для меня всегда наибольший интерес представлял вопрос о том, почему создателями автомобиля или агрегата были приняты именно те или иные технические решения, а не их возможные альтернативы. Иногда эта логика совершенно прозрачна, иногда становится понятна только при детальном знакомстве с контекстом принятия решения. А иногда может без контекста даже казаться противоречащей обывательскому "здравому смыслу". Именно таким оказывается при ближайшем рассмотрении принятое в своё время Заволжским моторным заводом решение выпускать все двигатели с алюминиевым (легкосплавным) блоком цилиндров, в том числе и двигатели грузовиков - за ним стояла абсолютно железная логика, причём завязанная преимущественно на вопросы производственного характера. Равно как и за произошедшим впоследствии отказом от этой технологии, когда она перестала быть актуальна и стала тормозом на пути дальнейшего развития.
К пятидесятым годам в двигателестроении наметился переход к более широкому использованию алюминиевых сплавов вместо бывшего в течение полувека основным материалом в данной области чугуна. Сначала благодаря работам братьев Эрнста и Германа Мале (Mahle) стало по сути стандартным их использование для изготовления поршней (причём конкретный ассортимент используемых при этом сплавов по сути мало изменился за последние 100 лет); затем массовое распространение получили легкосплавные головки блока цилиндров и впускные коллекторы, сулившие более эффективный отвод тепла от камеры сгорания и лучшее смесеобразование. Но некоторые производители, включая советский ГАЗ, пошли ещё дальше и применили алюминий и для более ответственного узла - блока цилиндров. Естественно, такой отход от привычной технологии должен был давать очень весомые преимущества.
В первую очередь можно, конечно, вспомнить о том, что алюминий легче серого чугуна примерно в 2,5 раза - а следовательно, из него можно получить значительно более лёгкие детали, даже с учётом худших механических свойств этого материала. Тема с облегчением была весьма актуальна для "Волги" ГАЗ-21 - особенностью компоновки этого автомобиля по сравнению с "Победой" был довольно сильный вынос силового агрегата вперёд, так что располагался он практически точно над осью передних колёс. Вместе с мотором "уехал" вперёд и весь пассажирский салон, благодаря чему задний диван большей своей частью расположился за пределами арок задних колёс, под которые больше не нужно было делать вырезы в его подушке, на "Победе" делавшие его по сути двухместным:
В общем - всё хорошо, но при такой компоновке двигатель должен быть как можно легче, поскольку он намного сильнее нагружает переднюю ось, и даже если наплевать на распределение массы (влияющее главным образом на устойчивость и управляемость, которым в те годы особого внимания ещё не уделяли), то перспектива получить повышенный износ передней подвески конструкторам явно не улыбалась. И облегчения действительно удалось добиться: сравнительно компактный 2,1-литровый двигатель "Победы" весил 153 кг без оборудования и сцепления, а более крупный 2,5-литровый мотор ГАЗ-21 в той же конфигурации - уже 146 кг [Справочник НИИАТ за 1958 год]. То есть, массу получилось если и не значительно уменьшить, то во всяком случае - удержать в тех же самых рамках. К этому надо добавить выигрыш от облегчения силовых элементов кузова и подвески, ставшего возможным за счёт уменьшения нагрузки на них. Но само по себе всё это как-то не выглядит достаточной мотивацией для перехода на полностью новую технологию.
Более подкованные в физике читатели могут вспомнить, что у алюминия по сравнению с чугуном также значительно лучше тепловые свойства - в частности, удельная теплоёмкость выше почти вдвое, а теплопроводность - более, чем вдвое. То есть, алюминиевая деталь быстрее прогревается и лучше отводит тепло в окружающую среду - а значит, температурный режим мотора получается менее напряжённым, за счёт лучшего естественного отвода тепла можно уменьшить объём его рубашки принудительного водяного охлаждения и радиатора. Но и это не является достаточно убедительным объяснением того, что алюминий массово применялся даже для двигателей грузовиков ГАЗ-53 и ГАЗ-66 - чего в мире по сути больше никто не делал.
Не является аргументом и возможность капитального ремонта мотора с алюминиевым блоком за счёт замены гильз цилиндров, без длительных и дорогостоящих работ по расточке блока, требующих специализированного станочного парка. Это и правда было огромным преимуществом, позволившим поставить капитальный ремонт двигателей в автохозяйствах на принципиально новый уровень (по важности это нововведение примерно равнозначно замене залитых баббитом подшипников коленвала быстросменными вкладышами), но точно такие же вставные гильзы применялись и, скажем, на моторе ЗИЛ-130, который имел чугунный блок. Так что это особенность именно конструкции, а не материала.
При этом очевидны и недостатки алюминиевого блока - в первую очередь дороговизна сырья, высокая склонность к коррозии при использовании в системе охлаждения воды или низкокачественного антифриза из-за наличия гальванической пары "железо + алюминий", а также сравнительно низкая жёсткость - из-за чего при перегреве алюминиевые моторы нередко "ведёт". Есть и менее очевидные: в частности, мотор получается хоть и легче, но намного крупнее по размерам, чем аналогичный имеющий чугунный блок. Короче говоря - если рассматривать вопрос с точки зрения обывателя, то применения алюминия, в особенности на грузовых моторах, может не выглядеть таким уж большим преимуществом, а порой оборачивается не критическими, но всё же заметными проблемами при эксплуатации.
Между тем, в условиях массового производства любое решение принимается только и исключительно после тщательного анализа всего комплекса технических, технологических и экономических факторов. И если смотреть на картину в целом, с учётом вопросов технологии производства, превосходство алюминиевых сплавов как материала для блока цилиндров становится более очевидным. Ключевой фактор здесь - высокая технологичность алюминиевых сплавов в массовом литейном и механическом производстве.
Что скрывается за этими техническими терминами ? В первую очередь, алюминиевые сплавы типа силуминов (АЛ-4, АЛ-9 и подобные) обладают очень высокими литейными качествами. В отличие от чугуна, для которого в основном применяется литьё в одноразовые песчаные формы, они могут литься в многоразовые разъёмные металлические формы (кокили) без разрушаемых песчаных стержней, что позволяет в значительной степени механизировать и автоматизировать процесс отливки и повысить её качество. При этом имеется выбор между литьём самотёком, под высоким или низким давлением - в зависимости от того, сколько деталей нужно получить и насколько тонко/толстостенных.
Наиболее эффективна и производительна технология литья алюминиевых сплавов под высоким давлением на автоматически литьевых машинах (но она требует и наибольших затрат на оборудование и оснастку, из-за чего её рационально использовать лишь в массовом крупносерийном производстве двигателей). Именно она и была освоена для наиболее массовых моторов ЗМЗ - грузовых V8, объёмный и сложный по форме блок цилиндров которых является очень непростым объектом производства - об этом переходе я уже подробно писал (а остальным моторам ЗМЗ она по сути досталась по наследству, как уже используемая на предприятии).
Для моторов конфигурации V8 ЗМЗ удалось добиться практически вдвое меньшей трудоёмкости изготовления алюминиевой отливки блока цилиндров по сравнению с аналогичным чугунным блоком двигателя ЗИЛ-130, при заметно меньшей себестоимости. И главная причина здесь - гораздо более высокая степень механизации и автоматизации литейного производства, исключение из него ручного труда при изготовлении песчаных форм и стержней (что также является очень "грязным" и вредным для рабочих производственным процессом). Кроме того, благодаря меньшей твёрдости алюминия детали из него можно обрабатывать на станках с высокой скоростью резания, что также значительно ускоряет производство и повышает его производительность. А сравнительно высокое качество поверхности деталей, достигаемое при литье в металлические формы, позволяет снизить объём последующей механической обработки. Есть и менее очевидная экономия, например - на снижении затрат энергии при перемещении более лёгких деталей между производственными участками.
В конечном итоге, несмотря на примерно втрое большую стоимость сырья в расчёте на единицу объёма, заводу удалось достичь вполне сопоставимой конечной стоимости продукции по сравнению с чугунными моторами ЗИЛ, при гораздо меньших трудозатратах на единицу продукции и намного больших масштабах выпуска. Высокая же стоимость сырья в условиях СССР большой роли не играла, тем более, что алюминий заводу всё равно поставлялся по фиксированной государственной цене, а не по рыночной. Хотя сам факт такого широкого использования традиционно шедшего в основном в авиацию и прочие высокотехнологичные производства "крылатого металла" в чисто гражданской продукции всё же довольно приятно удивляет.
Разумеется, существовали и альтернативные технологии, также позволявшие добиться достаточно массового и экономичного производства отливок блоков цилиндров из других материалов (было бы странно, если бы задача имела лишь одно решение), к примеру - использовавшееся в США высокопроизводительное тонкостенное литьё чугуна специального сорта с машинной формовкой песчаных форм:
Но здесь речь идёт про конкретное предприятие и доступные для него в конкретных условиях технологические процессы, среди которых оптимальным с экономической и технологической точки зрения оказалось именно алюминиевое литьё в металлические формы (с учётом уже имевшегося у предприятия опыта литья алюминиевых корпусных деталей моторов, ограниченности выбора готовых работать с СССР иностранных партнёров, имевших готовую технологию поточного производства блоков цилиндров, и т.п. факторов). Обе технологии - и кокильное литьё, и литьё в песчаные формы - имеют свои преимущества и недостатки применяются в моторостроении по сей день.
Основной "клиент" ЗМЗ - Горьковский автозавод - был крупнейшим в стране (и одним из крупнейших в мире) производителей грузовиков с масштабами производства порядка нескольких сотен тысяч в год. Это значило, что вопросы технологичности агрегатов в производстве играли для него огромную роль - даже незначительное снижение трудоёмкости или себестоимости означало, что можно будет либо уменьшить затраты ресурсов при тех же объёмах выпуска, либо выпустить больше двигателей при тех же затратах ресурсов - и в итоге либо собрать с ними больше грузовиков и шасси, либо поставить их в запчасти, избавив эксплуатационников от трудоёмкого капитального ремонта моторов в кустарных условиях. В таких условиях намного большая технологичность алюминиевых блоков в литье и мехобработке была огромным преимуществом, ну, а с их особенностями и недостатками в эксплуатации - предстояло мириться.
Естественно, как и любое решение в технике, данный выбор имел и недостатки. Не обошлось и без проблем в процессе доводки принципиально новой технологии, устранение которых потребовало большого объёма исследовательских работ и испытаний.
Так, из-за большого коэффициента расширения алюминиевого сплава при нагреве возникла необходимость специального подбора материалов для стабилизации зазоров между целым рядом ответственных деталей - включая дюраль Д1 для штанг привода коромысел и ковкий чугун КЧ 35-10 для крышек коренных подшипников коленвала (на моторе ГАЗ-21 для них применялся дюраль, это решение себя не оправдало). Много пришлось поработать над технологией изготовления масляных магистралей внутри отливки, которые изначально получались заливкой трубок, а впоследствии стали выполнять глубоким сверлением. Также алюминиевая отливка, выполненная под давлением, неизбежно получается микропористой, с большим количеством мелких (меньше 1 мм) газовых пузырьков в стенках - это называется "газоусадочной пористостью" - которые не влияют на механическую прочность, но делают её частично проницаемой для масла. Из-за этого пришлось разработать специальный техпроцесс, в котором поры закупоривались специальной синтетической смолой, и после запекания в автоклаве блок получался герметичным. И так далее.
Но, пожалуй, главным недостатком этой технологии было то, что она не позволяла изготавливать предпочтительные с точки зрения надёжности блоки "закрытого" типа, с верхней фиксацией гильз, как у ГАЗ-21: у таких блоков имеется закрытая внутренняя полость, которая не может быть выполнена с использованием разъёмной металлической формы. После заливки металла такая форма должна размыкаться для извлечения полученного изделия - а это возможно только если деталь не имеет закрытых полостей, поскольку ту часть металлической формы, которая отвечает за формирование этой полости, попросту невозможно будет извлечь из готовой отливки блока.
"Закрытые" блоки цилиндров же могут изготавливаться только по сравнительно малопроизводительной (при использовании ручной формовки) технологии литья в песчаные формы - или же в металлические, но с дополнительными песчаными стержнями для формирования внутренней полости. При этом использование литья под давлением вообще исключено - его не выдержат песчаные стержни, а сам процесс получается медленным и печальным.
Причём для самих по себе имеющих высокую жёсткость открытых блоков V-образных моторов, или достаточно массивных закрытых сверху блоков четырёхцилиндровых двигателей семейства 21А, эта проблема стояла не столь остро - но использовавшаяся на рядных моторах семейства 24Д конструкция открытого сверху блока цилиндров с нижней фиксацией гильз достаточно быстро "выбрала" резервы структурной жёсткости по мере повышения мощности и рабочих оборотов - что стало ясно, в частности, при попытках их применения в спорте.
Собственно, и в "гражданской" версии мотор вышел довольно капризен и чувствителен к перегреву, особенно при пренебрежении техосблуживанием - в частности, периодической подтяжкой гаек крепления головки, которые со временем могут ослабевать, что при очередном перегреве может привести к пробою прокладки ГБЦ (на некоторых иностранных моторах с подобной конструкцией блока руководством по эксплуатации предписывалось профилактически протягивать их при каждой замене масла - видимо, это был лучший способ гарантировать их хорошую затяжку).
Всё это потребовало при дальнейшем развитии моторов этой серии искать иные конструктивные решения.
При переходе от ЗМЗ-24Д к более форсированному мотору ЗМЗ-4022.10 (форкамерному) состоялся возврат к закрытому сверху алюминиевому блоку с верхней фиксацией гильз, как более жёсткому, хотя и менее технологичному. Окончательно же исчерпал себя алюминий как материал для блока цилиндров при разработке (с 1984 года) турбонаддувного варианта мотора ЗМЗ-4021.10: несмотря на введение анкерных шпилек, стягивающих в единый пакет головку блока, блок цилиндров и крышки коренных подшипников, и целый ряд иных конструктивных решений, ресурс мотора оказался ограничен всего 150 тыс. км - против 250 тыс. км и более у обычного ЗМЗ-402.10.
Когда в 1978 году была начала работа над новым поколением четырёхцилиндровых двигателей ЗМЗ, с верхним расположением распределительного вала (проект Э403.10), изначальным техническим заданием был предусмотрен алюминиевый гильзованный блок цилиндров для базового мотора, а для входивших в семейство турбонаддувного варианта и дизеля - чугунные блоки. Между тем, в ходе разработки становилось всё более очевидно, что такое решение устарело и уже не отвечает современным требованиям. Начиная с прототипов четвёртой серии (1985 год), получивших обозначением ЗМЗ-406.10, чугунный блок был унифицирован на всех моторах семейства.
Это позволило при сохранении диаметра цилиндра 92 мм и водяных протоков между цилиндрами уменьшить межцилиндровое расстояние со 116 до 106 мм, с возможностью увеличения диаметра цилиндра вплоть до 96 мм при устранении протоков. Уменьшение геометрических размеров блока цилиндров и использование появившихся за прошедшие десятилетия более совершенных техник тонкостенного литья чугуна практически полностью скомпенсировало применение имеющего большую плотность материала, благодаря чему масса мотора оказалась на том же уровне, что и у форкамерного с закрытым сверху алюминиевым блоком (всё же менее жёстким, чем чугунный).
Примерно по тем же соображениям и примерно в те же годы совершили переход обратно на чугунный блок цилиндров и другие ранее широко применявшие алюминий производители. Так, фирма Renault, все 60-е - 70-е годы выпускавшая двигатели с алюминиевыми блоками цилиндров семейств Cléon-Alu и Douvrin, в начале 1980-х внезапно представила чугунные моторы серии FR (включающей и "москвичёвский" F3R, и устанавливающийся поныне на некоторые модели "Дачии" F4R). Аналогичное решение было принято и самим Горьковским автозаводом при разработке нового верхневального V8 для "Волги" ГАЗ-3105 (его проектировал именно сам ГАЗ, а выпускал участок производства автомобилей малых серий, ПАМС).
Что касается удобства моторов со съёмными гильзами цилиндров в ремонте, то за прошедшие с начала шестидесятых годов, когда принимались решения о внедрении алюминия для блоков цилиндров моторов ЗМЗ, положение с ремонтной базой в стране резко улучшилось, и станочное оборудование для расточки блоков цилиндров теперь было практически в каждой хорошо оборудованной автомобильной мастерской или СТО. Внедрение в 1970-х годах в широкую практику двигателей ВАЗ наглядно показало, что опасения по поводу сравнительно низкой ремонтопригодности чугунного блока цилиндров без съёмных гильз были во многом не обоснованы.
В 1950-х - 60-х годах применение алюминия для изготовления блока цилиндров было эффективным и прогрессивным решением, и его внедрение позволило успешно решить задачу экономичного массового производства сложных грузовых моторов конфигурации V8 в количестве сотен тысяч в год. Но у него был ограниченный "срок годности": дальнейшее развитие двигателестроения со временем потребовало иных конструктивных и технологических решений. Удовлетворить новым требованиям можно было либо вернувшись к чугуну (но уже на на новом уровне, с учётом всего прогресса в области литья этого материала за последние десятилетия), либо применив принципиально новую технологию - такую, как заменяющие вставные гильзы стенки цилиндров из упрочненных гиперэвтектических кремниево-алюминиевых сплавов типа Nilkasil, Alusil и Silumal - что потребовало бы больших вложений и повлекло бы за собой целый ряд своих собственных проблем. Ещё одной альтернативой является технология, использованная Ульяновским моторостроительным заводом и некоторыми японскими производителями - несъёмные сухие гильзы, "залитые" в алюминиевом блоке на этапе его изготовления. Каждый из этих вариантов имеет свои преимущества и недостатки, как технологические, так и эксплуатационные.
Так или иначе, "магистральная" тенденция в сторону всё более широкого использования алюминия в двигателестроении, в какой-то момент начавшая "пробуксовывать", всё же продолжилась. И в то время, когда одни от алюминия отказывались, другие производители на него, наоборот, переходили. Например, General Motors в начале восьмидесятых представила для своих переднеприводных моделей совершенно новый мотор Cadillac High Technology V8 в вариантах рабочим объёмом 4,1 (HT-4100, карбюратор, 135 л.с. net) и 4,5 литра (моновпрыск, 155 л.с. net), имевший чуть ли не в точности такую же конструкцию блока, как у советских моторов ЗМЗ (и, судя по всему, использованную по тем же самым мотивам, начиная с облегчения и кончая вопросами технологии):
Сегодня продолжается: в настоящее время моторов с алюминиевым блоком цилиндров уже примерно 85% от общего выпуска. Конечно же, это совершенно иные в конструктивном и технологическом отношении блоки по сравнению со старыми алюминиевыми моторами разработки 1950-х - 70-х годов - со своими, новыми, особенностями, проблемами и недостатками.
Для чтения:
- А. М. Минеев и др. (коллектив авторов): Двигатели Заволжского моторного завода. Создание и развитие конструкций, технологии и производства, 1958 - 1998 гг. Издательство Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, 1998 год.
