В стремлении снизить вред, которой автомобиль может нанести (и, увы, наносит пока) окружающей среде, разработчики двигателей, а также разработчики компонентов стали уделять приоритетное внимание снижению всех видов потерь, возникающих при работе отдельных деталей и узлов мотора, а также уменьшению его размеров.
Две эти тенденции определяют принципы и подходы к выбору материалов и проектированию деталей двигателя. Уже сейчас мы наблюдаем повсеместный рост удельной мощности моторов, увеличение давление впрыска, а также усиление термической нагрузки на компоненты двигателя. Детали мотора работают в самых неблагоприятных условиях, а компоненты, используемые в составе гибридных двигателей, получают еще и дополнительные нагрузки. И это еще далеко не все, как сегодня принято говорить, вызовы, которые встречают разработчики компонентов двигателя. Добавим сюда еще и тот факт, что автопроизводители сегодня идут путем унификации платформ для разработки автомобилей, с целью охватить максимально больший круг рынков сбыта, что также приходится учитывать при создании компонентов и узлов современных силовых агрегатов.
В этой ситуации особенное внимание приходится уделять цилиндропоршневой группе, которая будет работать в более жестких условиях. Конструкторам приходится менять форму поршня, ведь он должен выдерживать теперь постоянно растущие механические нагрузки и успешно противостоять высоким температурным режимам. Для создания прочных и надежных поршней производители и разработчики создают новые материалы и предлагают ноу-хау в сфере технологии изготовления таких компонентов.
Так как моторы с непосредственным впрыском топлива разрабатывались для работы на сверхобедненных смесях, «классическая» конструкция днища поршня не может обеспечить нужного смесеобразования. Современные поршни для моторов с непосредственным впрыском (VAG – TSI, FSI, Toyota – D4, Mitsubishi – GDI, MB – CGI, Ford - EcoBoost) порой имеют сложную форму днища для того, чтобы создать максимальную концентрацию «топливного заряда» непосредственно возле электродов свечи зажигания. Кроме знакомых специфичных для поршня основных требований развитие современных бензиновых двигателей фокусируется на снижении трения, повышении механического и теплового сопротивления при снижении массы поршня, оптимизировании возвратного движения поршня и оптимизировании функции герметизации газов и масла.
В этом контексте одной из прогрессивных технологий специалистов KOLBENSCHMIDT является поршень LITEKS®-3. Это поршень облегченной конструкции и пониженного трения для бензиновых двигателей. Последовательное развитие конструкции поршня LITEKS® до текущего третьего поколения дало преимущество в уменьшении веса по сравнению со стандартной конструкцией поршня до 28%. Новый высокоэффективный сплав KS 309 послужил основой для этого усовершенствования вместе с дополнительно оптимизированной технологией литья и последовательной адаптацией конструкции к получающимся материально-специфичным преимуществам.
Чтобы уменьшить вес компонентов, разработчики довели технологию литьевой оснастки до серийной зрелости, которая представляет собой углубления в весовых карманах кольцевой зоны. Эта технология была успешно запущена в серийное производство на основе существующей конструкции LITEKS®.
Выходное преимущество трения в юбке работающего двигателя для этой концепции поршня было проверено с помощью технологии тестирования с плавающей гильзой (floating-liner) – оно может достигать 46%. Это было достигнуто за счет реализации комплексного пакета мер по снижению трения, таких как асимметричная конфигурация ширины юбки поршня, достаточная для того, чтобы выдержать приложенные нагрузки, уменьшение осевого смещения, увеличение зазора, а также использование нового покрытия юбки поршня NANOFRIKS®. Трибометрические тесты подтверждают, что покрытие NANOFRIKS® уменьшает коэффициент сухого трения и износа более чем на 50% по сравнению со стандартными покрытиями.
Успешное серийное применение NANOFRIKS® ведущими автопроизводителями во всем мире подчеркивает лидерство KOLBENSCHMIDT в технологиях поршневых покрытий. Являясь признанным мировым лидером в производстве бензиновых поршней, KSPG, кроме поршней KOLBENSCHMIDT, поставляет на первичную комплектацию также коллекторы PIERBURG с изменяемой геометрией и перекидными заслонками для моторов с непосредственным впрыском, что позволяет подходить к разработке деталей более системно, анализируя работу не только двигателя, но и топливовоздушных систем.
Снижение потерь на трение, что, как мы уже говорили, напрямую влияет на экономичность и экологичность силовых агрегатов, одна из задач для поршневых колец, ответственных также за уплотнение, герметизацию камеры сгорания, отвод тепла от нагретого поршня, регулирование расхода масла. В условиях, когда двигатель становится более компактным, когда в нем растут нагрузки, кольцам также приходится несладко – большая инерция, высокое давление сгорания и другие негативные факторы в разы увеличивают нагрузки на эти компоненты, повышая их износ.
Рецептом в случае таких проблем становятся новые, более прочные материалы изготовления (например, чугун с добавлением шаровидного графита или высокопрочные стали), новые типы покрытий, которые позволяют предотвратить образование следов прижога на поверхности поршней, а также конструктивные изменения – все вместе это позволяет оптимизировать и улучшить и геометрию колец, и их трение, и герметичность.
Разработчики, занятые в области проектирования и производства гильз цилиндров, сталкиваются все с теми же задачами: с необходимостью разрабатывать эти компоненты в условиях «даунсайдинга» (уменьшения размера) мотора и ужесточения экологичных стандартов. Именно поэтому в этой области идут активные поиски новых покрытий для поверхности гильз, а также новых материалов для их изготовления. Ведь именно от того, насколько эффективно подогнаны друг к другу гильза, поршень и поршневое кольцо, зависит производительность всего мотора, а также срок его эксплуатации, так же как и износ его компонентов. Поэтому настолько важна именно сама технология обработки гильзы.
Компания MAHLE имеет большой опыт в разработке и производстве подшипников скольжения. Именно они являются залогом слаженной работы корпуса двигателя и шатуна с подвижными валами – распредвал, коленвал, ось коромысла, балансировочный вал. При разработке подшипников скольжения конструкторы решают важнейшую задачу – максимально снизить потери на трение и обеспечить прочность компонента. В современных ДВС подшипники скольжения подвержены высоким механическим нагрузкам. В этой связи к этим компонентам выдвигается ряд специфичных требований: усталостная прочность, приспособляемость, высокая нагрузочная способность, износостойкость и устойчивость к коррозии. Для каждого конкретного двигателя MAHLE разрабатывает определенный тип подшипников скольжения. Огромное внимание компания уделяет разработкам материалов. В арсенале производителя уже есть различные высококачественные подшипниковые сплавы (например, сплав на основе алюминия). Некоторые свои подшипники MAHLE изготавливает на основе высокопрочной стали с применением нескольких подшипниковых сплавов. Кроме того, в этой сфере компания использует специальную технологию ионно-плазменного напыления. Такой тип нанесения покрытия позволяет равномерным слоем распылять металл на рабочую поверхность вкладыша подшипника.
Клапаны и сопряженные с ними детали также работают в условиях жесточайших температур и высоких механических нагрузок, а кроме того, подвергаются риску возникновения коррозии из-за агрессивного воздействия нагретых отработанных газов. Компенсацию боковой нагрузки на клапан обеспечивают направляющие втулки, которые также центрируют клапан в седле и отводят тепло на головку блока цилиндра. Кольцо седла клапана и сам клапан обеспечивают герметизацию камеры сгорания, что предотвращает потери давления. Кроме того, кольцо отводит тепло и предотвращает запрессовывание клапана в головку цилиндра. Правильный подбор материалов для седел клапанов очень важен в контексте снижения выбросов вредных веществ, так как правильный материал позволяет изготовить без потери прочности седло правильной конструкции, которое обеспечивает правильный и быстрый отвод выхлопных газов из камеры сгорания. В настоящее время в этой сфере активно используются металлические порошки, с помощью которых производители могут выпускать износостойкие, прочные и стойкие к коррозии компоненты.
На нескольких предприятиях в разных странах мира MAHLE выпускает клапаны различных форм и конструкций для ДВС легковых автомобилей и грузовиков с диаметром штока от 5 до 12 мм с длиной самого клапана от 80 до 210 мм. Для обеспечения высокого качества продукции компания применяет свои новейшие технологии, например метод плазменного напыления порошкового покрытия при производстве заготовок или метод высокоскоростного шлифования при конечной механической обработке. Способность выдерживать высокую нагрузку клапанам MAHLE придает специальная технология обработки: бронирование седла клапана, закаливание, нитрирование или хромирование. Для самых экстремальных нагрузок MAHLE предлагает полые клапаны с натриевым наполнителем, обеспечивающим прочность компонента в условиях высоких термических режимов.
Многие технологические достижения и инновации в сфере проектирования и производства деталей двигателя реализуются по-прежнему в сфере ОЕМ-производства. Но постепенно они проникают и на вторичный рынок автокомпонентов. И появление здесь таких прогрессивных компонентов, изготавливаемых по новым технологиям с применением новых материалов, должно поменять и уже меняет авторемонтную сферу. Специалисты, которые ремонтируют машины, должны получать корректную информацию не только о прогрессивных инновациях, но и о технологиях ремонта и обслуживания моторов, «начиненных» такими деталями. И этот факт в очередной раз добавляет актуальности вопросам подготовки технических специалистов СТО и повышению их квалификации. Ведь именно от них зависит, насколько эффективно и долго сможет проработать даже самый совершенный двигатель.
Автор: Татьяна Акимова
Посмотрите похожие материалы:
Новости отрасли
