Основные тенденции двигателестроения. Применение антифрикционных покрытий для юбок поршней

Основные требования к современным двигателям. Актуальность применения антифрикционных покрытий в двигателестроении

В современном мире широкое распространение получает технология твердой смазки. Реализующие ее покрытия позволяют снижать трение и износ деталей там, где не справляются классические пластичные и жидкие смазки.

Их формула включает твердые смазочные материалы, связующие компоненты и функциональные добавки. Антифрикционные покрытия являются высокотехнологичными материалами, имеющими широкую область применения, даже при высоких температурах, например на деталях двигателей внутреннего сгорания. На юбках поршней покрытия получают возможность раскрыть весь вой потенциал. Они являются важным элементом в трибологической системе поршневой группы.

Антифрикционные покрытия находят широкое применение в автомобилях – используются на уплотнительных элементах, таких как уплотнения дверей и кондиционеров, а также в других узлах, например дверных замках и ремнях безопасности. Но наибольшую эффективность они показывают на деталях двигателя внутреннего сгорания – в самой горячей точке автомобиля.

Первые успешные попытки нанесения покрытий на поршни двигателей были предприняты американскими компаниями в начале 1970-х. Также материалы наносились на детали ГБЦ, шатуны, коленчатые валы. По большей мере покрытия применялись в гоночных автомобилях. До 1990-х годов технология твердой смазки не была готова к широкомасштабному использованию.

Применение антифрикционных покрытий на поршнях является важным направлением в производстве ДВС. Эти подвижные компоненты совершают возвратно-поступательные движения в камере сгорания для преобразования энергии, вырабатываемой из топлива, в механическую энергию. Шатуны передают прямолинейное движение поршней на коленчатый вал для преобразования усилий в крутящий момент.

Поршни должны соответствовать большому количеству требований, некоторые из которых противоречат друг другу. Так, они должны адаптироваться к различным условиям эксплуатации, иметь высокую устойчивость к истиранию, работать плавно, иметь малый вес, при этом существует потребность в сокращении количества используемого масла и уровня выбросов.

Антифрикционные покрытия играют важную роль в обеспечении этих требований.

Они помогают поршням штатно функционировать в экстремальных условиях, в которых происходит истирание юбок. Значительная нагрузка создается уже на этапе холодного пуска двигателя.

Заедание происходит из-за отсутствия люфта вследствие механической или термической деформации цилиндра либо расширения поршня вследствие высокой термической нагрузки.

Дефицит масла или его недостаточная смазывающая способность также становятся причинами преждевременного износа поршней.

Нанесение слоя антифрикционного покрытия позволяет поршням работать в таких нестандартных условиях, эффективно предотвращая повреждения и преждевременный износ.

Одной из основных тенденций двигателестроения является уменьшение размеров силовых агрегатов для увеличения их КПД. В связи с этим увеличивается нагрузка на поршни и другие компоненты двигателей. На поршни воздействуют большие боковые усилия, что еще более усложняет требования к конструкции деталей и применяемому покрытию.

Слой покрытия должен быть более износостойким, чем конструкционные материалы, используемые в двигателе, чтобы не допускать увеличение потерь на трение в моторе.

В рамках современных решений, позволяющих снизить выбросы углекислого газа бензиновых двигателей, существенно увеличивается нагрузка на поршни, вес которых, к тому же, должен быть минимальным.

Ранее было принято использовать асимметричные юбки поршней с увеличенной поверхностью корпуса, обращенной к стороне нагнетания, чтобы нагрузка приходилась на большую поверхность. Антифрикционные покрытия меняют этот принцип на противоположный.

Гидродинамическое трение прямо пропорционально размеру соприкасающихся поверхностей трения. Это помогает уменьшить трение. Дальнейшее значительное его снижение достигается за счет уменьшения высоты сжатия. Это приводит к использованию более длинного шатуна, что снижает боковую силу, воздействующую на юбку поршня, и, в свою очередь, соответствующее трение.

Функции покрытия поршней

При работе двигателя в холодном состоянии система управления впрыскивает повышенное количество топлива. Избыточный объем горючего может разбавить либо смыть масляную пленку, что в конечном итоге приводит к истиранию деталей, если на юбке поршня нет антифрикционного покрытия.

Антифрикционные покрытия легко притираются, это значит, что поршень может идеально адаптироваться к форме цилиндра в случае деформации. Аналогично происходит в случае кратковременного отсутствия люфта в процессе работы мотора. Если слой покрытия может быстро уменьшиться на несколько микрон, то созданный зазор защищает систему от истирания.

Антифрикционные покрытия играют еще одну важную роль при внезапной нехватке масла. Твердые смазочные материалы, содержащиеся в покрытии, обеспечивают аварийную смазку, то есть снижают трение в критических состояниях – в условиях «масляного голодания».

В зависимости от конструкции двигателей, необходимы новые решения для силовых агрегатов, работающих в условиях особо высоких нагрузок.

Существует потребность в разработке покрытий, выдерживающих постоянную температуру около +280 °С и экстремальные нагрузки.

Применение российских покрытий в двигателестроении

В двигателестроении широкое применение нашли антифрикционные покрытия от российской компании «Моденжи», которые разрабатываются и производятся по собственной технологии.

Моторные заводы наносят антифрикционное твердосмазочное покрытие Modengy 1007 на юбки поршней методом трафаретной печати.

Покрытие изготавливается на основе графита, эффективно работает при нагреве до +350 °С, обладает низким коэффициентом трения, противозадирными свойствами и высокой износостойкостью.

Также этот материал применяется на штучных деталях – наносится методом распыления из пневматического распылительного пистолета. Полимеризация материала происходит при нагреве в печи.

Еще одним покрытием, эффективно работающем на поршнях, является Modengy 1003 на основе дисульфида молибдена и графита. Оно наносится методом распыления из пневматического пистолета и может отверждаться как в печи, так и при комнатной температуре.

Modengy 1066 – антифрикционное твердосмазочное покрытие на основе дисульфида молибдена и графита, обладающее очень высокой износостойкостью, оно работоспособно при нагреве до +315 °С.

Для самостоятельного применения без дополнительного оборудования был выпущен набор Modengy для нанесения антифрикционного покрытия на детали ДВС. Он содержит антифрикционное твердосмазочное покрытие на основе графита и дисульфида молибдена в аэрозольном баллоне, а также средство для очистки и активации поверхности перед нанесением покрытия. Modengy Для деталей ДВС может отверждаться даже без нагрева в печи.

Все покрытия имеют длительный срок службы и обладают свойствами антиаварийной смазки.

Покрытия Modengy были неоднократно протестированы на эффективность работы в двигателях внутреннего сгорания: на юбках поршней высокофорсированных дизельных двигателей, а также в рамках государственного задания в лаборатории трибологии Института проблем механики им. Ишлинского на юбках поршней ДВС.

Испытаниями было доказано, что антифрикционные покрытия Modengy в зависимости от марки позволяют снизить потери на трение до 5 раз и значительно повысить ресурс двигателей внутреннего сгорания.