Современные поршневые двигатели внутреннего сгорания — крайне сложные системы, в состав которых входит большое количество элементов. Один из них — поршень, наиболее важная и специфическая деталь в современных двигателях. Для того, чтобы выдерживать значительные механические нагрузки и тепловые удары, поршень должен быть одновременно и легким, и прочным.
О задачах, которые приходится решать при конструировании и производстве поршней, а также о современных технологиях их упрочнения рассказывает основатель проекта ZENTORN (компания-резидент Инновационного центра “Сколково”), Дмитрий Лебедев.
Почему поршень настолько важен?
Как и говорилось выше, он должен быть легким и прочным, чтобы выдерживать все расчетные нагрузки. Кроме того, поршень должен обладать одновременно высокой термоциклической стойкостью основных рабочих поверхностей, износостойкостью и низким трением тронковой части при минимально возможном зазоре в цилиндре.
Зачем? Это очень важно для герметизации камеры сгорания топливно-воздушной смеси, с тем, чтобы избежать прорыва газов из камеры сгорания в картер, а также поступления масла в обратном направлении. В идеальном варианте расход масла должен быть минимальным, а детали двигателя должны работать в режиме жидкостного трения.
В большинстве случаев причиной выхода из строя ДВС является износ элементов:
- В бензиновом двигателе основные повреждения получает поршень из-за высокой температуры его нагрева и резких перепадов температур. При протекании рабочего процесса происходит снижение предела прочности материала.
- В дизельном двигателе износу подвергаются и детали цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), и камера внутреннего сгорания. Причиной служат переменные напряжения, вызванные воздействием переменного давления газов в цилиндре в течение рабочего цикла.
- Низкочастотные колебания температуры поршня, связанные со сменой режимов работы двигателя; высокочастотные циклические термические колебания, обусловленные изменением температуры материала в поверхностном слое камеры сгорания в течение каждого рабочего цикла.
Из-за разрушения элементов проявляются три основные проблемы: падает мощность двигателя, увеличивается расход горючего и смазочных материалов, возрастает объем выбрасываемых вредных газов.
Неслучайно поршень является центром концентрации технических новшеств, которые заложены в конструкцию двигателя. В последние годы автопроизводители идут по пути оптимизации конструкции поршня и уменьшение его массы для снижения инерционности — активнее используют поршни без вставок и пазов. Это объясняется тем, что автомобильные двигатели последнего поколения часто оснащаются алюминиевым блоком цилиндров. Соответственно, поршни понадобилось облегчить без ухудшения их термозащитных, прочностных и других эксплуатационных характеристик.
Кроме того, были разработаны и эффективные методы получения заготовок поршней, включая штамповку (ковку) и «жидкую» штамповку. Все это дало возможность усовершенствовать поршни и технологию их производства.
Методы упрочнения поверхности поршней
Существует ряд методов, один из них — технология электрического осаждения на поверхности металлов электрохимических покрытий с применением различных композиций. Метод осаждения состоит в следующем: из раствора электролита на поверхность днища поршня осаждаются неметаллические включения (бориды, сульфиды, карбиды, оксиды и т.д). Благодаря атомарному воздействию на поверхностные слои алюминия, прочностные характеристики полученного пленочного покрытия превышает твердость основного металла, что повышает термостойкость и прочностные характеристики.
Перспективным методом упрочнения является микродуговое оксидирование (МДО). Он заключается в формировании в поверхностных слоях группы вентильных металлов керамических покрытий с уникальным комплексом свойств, значительно превосходящих по своим термоизоляционным и прочностным характеристикам основной металл. Отличительной особенностью процесса в появлении на границе металл-электролит микроплазменных разрядов – плазмохимическом и термическом воздействии.
Технология ZENTORN: применение стэка технологий
Когда резервы свойств материалов практически исчерпаны, а эксплуатационные потребности в увеличении литровой мощности и нагрузки на элементы цилиндропоршневой группы неуклонно растут, возникает необходимость решения комплексной задачи: повышения эксплуатационных характеристик без изменений конструкции двигателя.
Результатом решения технической задачи группой разработчиков технологии «ZENTORN» является модель поршневого ДВС со штампованным поршнем с нирезистовой вставкой и двухслойным термобарьерным керамическим покрытием.
Был применен стэк технологий:
- Метод микродугового оксидирования за счет поверхностного упрочнения сплавов, который позволил достичь увеличения термоциклической стойкости и обеспечить тепловую динамическую защиту камеры сгорания ДВС (дна поршня и сферы головки цилиндра).
- Для уменьшения износа канавки первого компрессионного кольца при помощи изотермической штамповки и порошковой металлургии была изготовлена вставки из чугуна (нирезиста), что уменьшило износ в паре трения: поршень-компрессионное кольцо. Получаемые заготовки характеризуются повышенными механическими свойствами, хорошей проработкой микроструктуры и минимальными припусками.
Технический эффект от использования разработки:
- повышение температуры в камере сгорания;
- увеличение полноты сгорания топлива;
- снижение уровня выбросов угарного газа (СО), углекислого газа (СО2) и углеводородов в окружающую среду (достигнута конверсия углеводородов до 40% для бензиновых двигателей);
- уменьшение тепловой нагрузки на систему охлаждения и другие детали двигателя (предельная термостойкость модификационного слоя составляет до 490 С в рабочем режиме, тепловой удар — до 2600 С, теплоизоляция материала подложки — до 1 Вт*К/М);
- увеличение КПД ДВС /возможно увеличение до 20% в форсированном режиме;
- повышение надежности, износостойкого и эффективности работы штампованных поршней ДВС, твердость модификационного слоя составляет— до 2500 HV по Викерсу;
- снижение общего веса и инерционности двигателя, по сравнению с двигателями со стальными и составными поршнями.
Эффективность технологии была проверена на серийном шестицилиндровом дизельном двигателе. Также были подтверждены улучшенные технико-эксплуатационные характеристики. На испытаниях двигатель форсировали до максимального давления рабочего процесса (до 170 кгс/см²). Это позволило получить прирост мощности двигателя 21% в сравнении с базовым (540 л.с.) без снижения степени сжатия. При этом двигатель остался в работоспособном состоянии.
Комментарии (24)
MikeVC
10.09.2021 18:28Поршень редко дохнет даже в хлипком современном ДВС.
rexen
10.09.2021 21:19+5Да? Тогда вам интересно будет прогуляться по ютуб-каналу KPOWERtuning. Там каждый второй "пациент" оказывается на капиталке из-за "современных технологий". Сам по себе поршень не дохнет, но из-за утоньшения повышается термическая нагрузка, деформации, задиры, залегания колец, масложор и далее - по нарастающей...
Лозунги под эти все "инновации" - просто замечательные: экология, экономия, ресурсосбережение... Только вот "на круг" выходит ровно наоборот - одноразовые железяки слишком быстро отправляются на помойку, а потребитель берёт очередной кредит.
dasFlug
11.09.2021 05:59+5И при этом средний возраст машин на дорогах постоянно растет. В США перевалил за 12 лет. 10 лет назад он был 10.7. В Канаде в 2010м был 8.7, а сейчас больше 10 лет. В Германии сейчас 9.6, в 2007 был 7.7. Это что, заговор автопроизводителей подкупающих органы регистрации автомобилей по всему миру или машины таки стали долговечнее?
MAXH0
11.09.2021 07:21+1А вот тут, ИМХО, вы путаете теплое с мягким. Показатель среднего возраста авто, это показатель экономики. Мир погружается в кризис и средний возраст авто растёт, поскольку не все могут купить новое авто. Это хорошо видно по странам... В РФ средний возраст 13 лет(а где то на Сахалине и больше 20 лет). НО это не показатель качества наших автомобилей, не так ли?
Для более точной картины было бы интересно посмотреть графики стоимости обслуживания автомобиля в зависимости от возраста. Но такую статистику, вроде бы не публикуют. Хотя, наверное, страховщики и обладают подобным знанием.
dasFlug
11.09.2021 18:12Я бы назвал три фактора в порядке убывания значимости - технический, экономический и законодательство. Технический задает общий тренд. В США средний возраст машин за последние 50 лет вырос в два раза. Естественно что этот рост постепенно замедляется, но утверждение "машины 30лет назад были надежней и долговечней" статистикой эксплуатации не подтверждается, средний пробег до отправки на свалку продолжает расти.
Экономика дает относительно резкие но кратковременные изменения. Например случился КОВИД, новые машины подорожали и средний возраст заметно подрос. Кризис 2008го серьезно подкосил покупательную способность с тем же результатом. Влияние экономики на долговременный тренд скорее обратное. По тем данным что я нашел рост цен на новые машины немного отстает от общего темпа инфляции. В результате доступность новых машин увеличивается и парк должен молодеть. Но этого не наблюдается, а значит технический фактор перевешивал экономический.
Ну и законодательство в некоторых странах может серьезно влиять на рентабельность продолжительной эксплуатации авто. Примеры - Германия и Япония.
Dee3
10.09.2021 21:43Ему и дохнуть не надо, маслодренаж быстрее подохнет и сам завод новую ревизию поршня к тому времени выпустит с новыми кольцами. И так по кругу..
lonelymyp
10.09.2021 21:17+1А так ли сейчас важны такие фундаментальные исследования? Маркетинг медленно но верно убивает двс.
Это даже если не принимать во внимание что надёжный массовый мотор сейчас никому не нужен и никто их не делает. Если было нужно, моторы ходили и миллион, но это не выгодно.
Matshishkapeu
10.09.2021 21:40+1>> Это даже если не принимать во внимание что надёжный массовый мотор сейчас никому не нужен
Какбэ весь коммерческий транспорт, от микроавтобусов ремесленников-сантехников, до городских развозных грузовичков и фур. Всех этих ребят с ежедневным пробегом в сотни километров под нагрузкой батарейки заменят нескоро. А уж про фуры - ну красивая же история была с "водородными" грузовиками Nicola которые для съемки рекламы спускали с горки, чтоб они ехали, а компания потом делала красивое лицо: "А мы не говорили что они едут на водороде, мы говорили что они едут!"
fougasse
10.09.2021 21:44+3Моторы милионники в легковом личном транспорте - это ошибка выжившего, автомобиль физически развалится раньше в других частях, чем пользователь с пробегами 20-30 тыс/год откатает его.
Да, рабочие легковые машины/такси и т.п. ходят сопоставимые с миллионом пробеги, как 20-30 лет назад, так и сейчас.
Но, благодаря борьбе за экологию, ужесточению других норм - подобное просто материально не имеет смысла для частных владельцев.
3epg
11.09.2021 06:46-2Это современный автомобиль развалится раньше миллиона километров. А нормальный автомобиль конца прошлого века ещё переживет многие современные повозки.
Так же как и ДВС ещё долго будет в строю. Исключительно городские автомобили да, пересядут на электричество. А те же джипы, фуры, различные доставщики, у кого ежесуточный пробег может перевалить за 500 километров, будут и дальше ездить на бензине с соляркой. Пока масса и объём батареек не будут занимать столько же места, как топливный бак или на крайний случай скорость зарядки будет сопоставима скорости заливания бензина в бак.
Одна из моих машин - Mitsubishi Pajero 1993 года выпуска, скоро 30 лет. Выглядит лучше чем многие современные авто. Ни оды, ни уж тем более сквозной коррозии, краска вся родная. Приспособлен для передвижения по направлениям с завода лучше, чем многие подготовленные современные автомобили. Плюс у меня бак на 95 литров позволяет проехать без дозаправки около 800 километров, если по трассе. В грязи да, значительно меньше. Но учитывая размер автомобиля можно спокойно в багажник ещё две бочки с бензином загрузить и запас хода уже получится под 4000 километров. Из Красноярска до Москвы можно доехать без остановок.
Bedal
12.09.2021 18:57Спрошу ещё раз: с чего это вдруг одометры на на этих «нормальных машинах» только-только к концу века стали шестизначными?
«переживет многие современные повозки» получалось только потому, что пробеги были малы, 5ткм в год было вполне нормальным пробегом, 10 — уже немалым.
Maxim_Andreev
10.09.2021 21:57Это и не фундаментальные исследования, а скорее обычный НИОКР. К тому же, саму технологию скорее всего не только на поршнях ДВС можно было бы применить.
iingvaar
12.09.2021 01:00Например, это нужно в автоспорте. Там нет концепции запланированного устаревания и максимизируется там не цена, а количество медалей. Надежность является одной из составляющих победы, наряду со скоростью. На это брошены довольно большие силы и большие деньги, но поршни разлетаются через несколько заездов, как и 40 лет назад, правда скорости выросли раза в три. И автоспорт - это далеко не нишевое развлечение. Все, конечно, зависит от страны, в Америке, например, чуть не в каждой деревне свой картодром. На электропривод переходить никто не торопится - ощущения совсем не те, оказывается.
GeorgKDeft
10.09.2021 21:40+2двухслойным термобарьерным керамическим покрытием.
Фото бы не помешало. И описание что это вообще по подробнее.
nickolas059
11.09.2021 20:38Мне кажется, проблема комплексная. Кроме самого железа ещё имеет значение эксплуатация, а про это ни слова. Одно дело ехать на круизе 1000км, а другое в городе и жаре 100км. Я масло каждые 7000км меняю, хотя и не знаю, насколько это на самом деле надо
WebFlyer
20.09.2021 07:53Проблема действительно комплексная.
Если раньше в двигатели закладывали бОльший запас прочности из-за того, что расчитыали его практически вручную (те самые хваленые двигатели миллионники) то сейчас со всеобщим распространением компьютеров и CAD систем, можно просчитать любую деталь как отдельно так и все в сборе, и заложить достаточный запас прочности, но не более необходимого (например в +10% от номинала) чтобы сэкономить на материалах, что в рамках автомобильного концерна дает таки немаленькую, в несколько лярдов, дополнительную прибыль.
Плюс выжимается максимум из минимального рабочего объема двигателя, что тоже сильно влияет на его ресурсность - современные двигатели намного более термонагружены, чем те, которые делались лет 15-20 лет назад - у них очень маленький интервал рабочих температур, в котором безопасна для него самого его эксплуатация.
Плюс тот же пластик вместо металла - облегчение веса авто в ущерб долговечности - от высоких температур пластик живет три-пять лет (привет VAG, BMW и что то еще c его пластиковым корпусом масляного фильтра). И так далее и тому подобное - экономия на материалах, и снижение веса там, где уже совсем неразумно это делать. В рамки гарантийного срока эксплуатация таких деталей вписывается, а в постгарнтийный период - это уже головная боль автовладельца: пусть или тратит деньги на сервис, или покупает новый авто - копроэкономика в своей сути.
mikelavr
12.09.2021 09:26Какую задачу вы решали? На выбор:
уменьшить себестоимость детали
увеличить мощность с заданного объема двигателя
увеличить срок службы мотора
Меня, как потребителя, интересует только срок службы. В идеале я вообще не должен знать о технологиях, примененных в изготовлении.
У меня был микроавтобус Toyota, двигатель 3S-FE. Владел я им на интервале пробега от 140 до 350 тысяч километров. Машина попала ко мне уже с двигателем, подъедающим масло (много, примерно 5 литров на 10000км пробега). Я двигатель не ремонтировал, кормил хорошей синтетикой. Так и продал, без переборки, в возрасте 19 лет.
Также владел Opel Vectra, двигатель C20NE, год выпуска 1990. Продал с пробегом 450 тысяч, двигатель ни разу не перебирался.
Вообще, я ни в одной своей машине движки не перебирал за 22 года водительского стажа.
GiperBober
Новейшие достижения в поршнестроении - это когда редкий современный ДВС проезжает больше 200 т.км.?..
VT100
Надеюсь, это только к жоповозкам относится. Или?
fougasse
А есть адекватная статистика отказов? Ну не рассказы «знакомых сервисменов» про прогоревшие поршня и стружку в масле на каждом втором моторе на первом ТО, а какие-то исследования?
Плюс 200 тысяч - это предположение для легкового транспорта, да?
vikhoff
2010 год это современный?
Prius с пробегом 600т.к.
А 2013? Hyundai Elantra 1600 т.км.
Bedal
Ох, уж эти сказки, ох уж эти сказочники…
Сколько цифр было на одометре этих якобы «миллионников», пять? А почему?