Меню

Что такое керамические поршни

Поршни с керамическими вставками

Как производятся высококачественные
поршни

Заготовки
поршней в основном изготавливаются литейным способом. Перманентное фасонное
литьё позволяет достичь высоких прочностных характеристик, что стимулирует его
применение в широком объёме производства. Используя литейные формы из чёрных
металлов и применяя специальное охлаждение, можно добиться быстрого
затвердевания жидкого материала, получая заготовку с мелкоструктурным составом.
Такая структура обладает высокой прочностью на разрыв, что важно для столь
сложной детали, как поршень. Этот узел имеет большие (связанные с
конструктивными особенностями) различия в поперечных сечениях формы. Например,
можно сочетать без потери характеристик тонкую поршневую юбку и прочные
крепления бобышек поршневого пальца.

Более того,
фасонное литьё оставляет широкие возможности при проектировании поршней. Можно
отлить заготовку со стальным каркасом или с такими включениями как
контролирующие тепловое расширение подпорки, вставки под кольца, соляные
стержни для каналов охлаждения. Поршни к современным двигателям должны быть не
только легче, но и несмотря на уменьшение веса — прочнее. Требования к
экологической чистоте двигателей решительно ужесточаются. Они выражаются в
дальнейшем сокращении доли азотных окисей и количества нагара в дизельных
двигателях. Это невозможно выполнить только дополнительной обработкой выхлопных
газов, а лишь в сочетании с комплексными мерами по улучшению сгорания.
Обязательным условием для этого является увеличение максимального давления на
стенки цилиндра, которое достигается только применением геометрически модифицированных
камер сгорания.

Зачем нужны керамические вставки

Полости в
головке поршня дизельных двигателей должны иметь острые края, которые
подвергаются значительно большей тепловой нагрузке, чем обычные. Эти
необходимые меры по улучшению конструкции предъявляют к поршню дополнительные
требования. При более высоких температурах нужна модель со значительно большей
прочностью и лучшей устойчивостью к растрескиванию ободков полостей.

Конструкторы
нашли выход: традиционный алюминиевый материал поршня может быть значительно
упрочнён добавлением коротких керамических волокон, преимущественно окиси
алюминия AL2O3 (диаметр волокон от 0.5 до 1 мкм). Применяя керамические
волокна, можно значительно увеличить сопротивляемость растрескиванию, особенно
когда у кромок полостей предусмотрена губообразная
форма. При обычном перманентном фасонном литье волокна, прижатые к корпусу, не
могут соединиться с материалом поршня. Волокнистая масса, помещённая в форму,
имеет пористую структуру. Только при очень высоком давлении сплав поршня может
проникнуть во все полости, образуя таким образом единое сложное тело.

Чтобы обойти
проблему разработаны технологии литья под давлением. Во время отвердевания при
давлении 1000 бар технология влияет на фазу кристаллизации, улучшая механические
характеристики материала. По сравнению с обычным перманентным фасонным литьем
этот процесс имеет более высокую себестоимость и поэтому используется только в
тех случаях, когда нужно достигнуть совершенно нового диапазона несущей
способности алюминиевых поршней. Поршни дизельных двигателей с вплавлением
керамических волокон используются сегодня в наиболее тяжелых условиях и при
этом полностью отвечают современным жёстким экологическим и техническим
требованиям.

Источник статьи: http://portalvaz.ru/porshni-s-keramicheskimi-vstavkami/

Виды покрытия для поршней двигателя, их преимущества и актуальность применения

Технологии автопроизводства развиваются стремительными темпами. Одной из главных задач разработчиков является обеспечение защиты элементов двигателя.

Для защиты таких компонентов как поршни предусмотрено использование специальных покрытий. Они бывают разного типа, в зависимости от используемых компонентов, и выполняют различные функции.

Автомобилисты закономерно интересуются, каким бывает покрытие поршней, для чего его используют и есть ли смысл в применении подобных решений.

Виды покрытия

Всего можно выделить 2 основных типа покрытия. Это молекулярные и керамические.

В первом случае привязка состава к поверхности происходит на молекулярном уровне. Во многом это напоминает металлизацию. Главным преимуществом называют способность к механическому отражению тепла. Молекулы высоких температур отталкиваются от защитного покрытия и почти его не нагревают.

Керамическое покрытие завоевало популярность за счёт превосходных изолирующих свойств. Материал способен поглощать тепло, делая это верхним слоем.

Читайте также:  Как устроен поршень суппорта

Как раз верхние слои поршней выступают как основные меры защиты. Они удерживают в себе тепло, не позволяют ему проникать глубже в структуру материала. Керамическая обработка способствует увеличению отдачи, то есть повышается мощность ДВС. Исследования наглядно показали, что прирост по мощности может составлять 4-8%.

Изолирующее покрытие, которое наносится на поршневые головки, снижает риски возникновения повреждений при детонации двигателя.

Современные термостойкие покрытия успешно реализуются на различных двигателях. В основном это форсированные моторы, силовые агрегаты гоночных машин и болидов.

Теперь стоит отдельно взглянуть на используемые в автомобильных двигателях покрытия для защиты и увеличения ресурса поршней.

Молекулярное покрытие

Как уже отмечалось ранее, молекулярное покрытие позволяет обеспечить связывание защитного слоя и поверхности поршня на молекулярном уровне. В итоге поверхность становится максимально твёрдой, отлично отражает тепло.

У каждого производителя свои запатентованные составы для создания молекулярного покрытия. Но в основном речь идёт об использовании нитрида титана. Его часто можно встретить на юбке поршня, поскольку такое покрытие даёт целый ряд эксплуатационных преимуществ.

Нет смысла углубляться в сам процесс покрытия. Обычному автомобилисту достаточно лишь знать некоторые свойства этого материала:

  • Плавление состава наступает только при температуре около 3200 градусов Цельсия. Это делает покрытие максимально термоустойчивым. Тем самым слой длительное время удерживается на внутренних поверхностях.
  • Нитрид титана также характеризуется повышенной термодинамической устойчивостью. Это крайне полезное свойство, поскольку за счёт него обеспечивается высокий уровень защиты при детонации двигателя.
  • Высокий уровень твёрдости. Это свойство передаётся на поршень, он служит дольше, надёжнее и не теряет свои эксплуатационные характеристики.

Учитывая всё выше сказанное, нитрид титана действительно эффективен и полезен в качестве протекторного покрытия для поршней двигателя.

Керамическое покрытие

Керамика уже обладает несколько иными свойствами. Это изолирующий материал. То есть керамика может поглощать тепло в слоях, которые находятся возле поверхности.

Используя керамический слой на поршне, создаётся высокоэффективный изолятор. Он удерживает на себе тепло и не позволяет ему проникать вглубь материала. За счёт тепла внутри двигателя применяемое покрытие из керамики для поршней способствует увеличению внутреннего давления. Это ведёт к созданию дополнительного усилия на поршни, и в итоге наблюдается прирост мощности.

Эксперты проводили испытания, тестируя гоночные силовые агрегаты. В среднем на них отмечался прирост по мощности в пределах от 4 до 8%.

Применение молибдена

Как и в случае с использованием титанового покрытия, молибденовые составы обеспечивают защиту от сильного перегрева. Материал способен снизить сопротивление стенок блока цилиндров. В итоге на стенках не образуются царапины и задиры.

Автовладелец при желании или необходимости может самостоятельно обработать детали ДВС с помощью молибденового протекторного состава.

Есть в продаже продукция, разового применения которой хватает для езды в течение нескольких лет или до пробега в 50 тысяч километров. У производителя предусмотрена чёткая инструкция, которую важно строго соблюдать.

Антифрикционные покрытия

Использование антифрикционных покрытий для поршней актуально для достаточно серьёзного тюнинга двигателя.

Антифрикционные составы не защищают от термической нагрузки, а используются как смазка длительного действия для элементов цилиндропоршневой группы.

В основном встречаются антифрикционные составы на основе графита или тефлона.

Про тефлоновый слой мнение совершенно разное в обществе автолюбителей. Многие сравнивают тефлоновое покрытие для деталей двигателя и тефлон, который наносится на сковороды. В действительности здесь есть своя логика. Тефлон не обладает высоким уровнем стойкости к повышенным температурам. А двигатель работает только в таких условиях.

Применение тефлона является скорее временным. Материал имеет отличные антифрикционные свойства. Актуально использовать на новых моторах в период притирки. Обычно слой тефлона наносится ещё с завода автопроизводителем. Поскольку материал отличается повышенным скользящим эффектом, это позволяет деталям двигателя лучше и быстрее приработаться. Затем слой тефлона попросту сгорает, не нанося никакого вреда внутренним компонентам ДВС.

Читайте также:  Поршень разделитель прв 1 01

Графитовое напыление выполняет аналогичные функции. То есть это состав для применения на ранних этапах тюнинга. Устанавливая новые компоненты мотора, либо полностью меняя двигатель, внутренние поверхности обрабатывают графитовыми составами. Они ускоряют приработку поршней и стенок цилиндров. В итоге элементы лучше скользят, не появляются задиры, царапины. Правильная приработка деталей играет огромную роль в создании оптимальной работы силового агрегата.

В чём преимущества

Спорить с эффективностью поршней, покрытых специальными составами, бессмысленно. Это давно доказано и подтверждено фактами.

Применяя подобные решения, можно добиться следующих преимуществ:

  • улучшается взаимная работа трущихся поверхностей;
  • ускоряется притирка и приработка поршня и цилиндра;
  • обеспечивается защита от высокотемпературных перегрузок;
  • снижается уровень вреда поршню при детонации двигателя;
  • создаётся защитный слой, способный справиться с длительной высокотемпературной нагрузкой.

Добиться таких преимуществ можно, использовав подходящий вариант покрытия поршней. Наносятся они своими руками либо с помощью специалистов.

Стоит ли использовать

Это главный вопрос, на который каждый автомобилист должен ответить сам.

Польза и эффективность специального покрытия находится вне всякого сомнения. Но проблема в том, что нанесение такого слоя процедура достаточно дорогая и сложная, требующая демонтажа мотора и его разборки.

В настоящее время покрытие поршней получило наиболее широкое распространение в гоночных автомобилях, на спортивных машинах и на авто, которые являются серьёзным тюнинг-проектом с прицелом на максимальное увеличение мощности. Чтобы справиться с такими нагрузками, поршню нужна дополнительная защита. И протекторные покрытия с этим прекрасно справляются.

Что же касается гражданского транспорта, то здесь потребности в подобных мерах нет. Для начала учтите, что автопроизводители на этапе сборки уже вносят специальное покрытие, необходимое для эффективной приработки деталей. Наносить его повторно уже не имеет смысла. А доработка путём обработки нитридом титана или керамикой крайне дорогая и технически сложная. Обычные автомобили не работают при таких нагрузках, чтобы нуждаться в подобной защите.

Источник статьи: http://drivertip.ru/osnovy/raznovidnosti-pokrytiya-porshney-dvigatelya.html

Поршень двигателя внутреннего сгорания: технология упрочнения и новейшие достижения

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.
Читайте также:  Поршни не гнущие клапана для приора

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.

Источник статьи: http://habr.com/ru/post/577332/

Adblock
detector