Поршень прогресса

1. Расскажите, насколько видоизменился и усложнился поршень за последние годы с конструктивной точки зрения? Как массовый переход двигателей на прямой впрыск повлиял на этот процесс?

2. Какие формы днища поршня сегодня наиболее востребованы в двигателестроении? От чего зависит выбор оптимальной формы?

3. Известно, что направляющая часть поршня испытывает максимальные термические нагрузки. К каким хитростям обращаются инженеры, чтобы перераспределить и выровнять температурную нагрузку на юбку поршня и обеспечить ее надлежащую смазку?

4. Сформулируйте критерии, которыми руководствуются инженеры при проектировании поршня (экологичность, температурный режим, долговечность, мощность).

5. Поршень должен обладать рядом свойств от высокой механической прочности и теплопроводности, до коррозионной стойкости и малого коэффициента литейного расширения. Также свой отпечаток накладывает и даунсайзинг, подразумевая повышение мощности вкупе с уменьшением размеров. Какие сплавы, приемы в обработке металлов и технологические инновации применяются?

Дмитрий Зимин, генеральный директор MAHLE в России:

1. – Сегодня основной фокус при разработке двигателя внутреннего сгорания направлен на увеличение теплового КПД для снижения уровня эмиссии выхлопных газов. Технология прямого впрыска является значимым фактором в оптимизации работы ДВС. Важной тенденцией стало сокращение его объема и числа цилиндров без потери литровой мощности автомобиля, то есть литр топлива теперь позволяет получать больше отдачи. Такая концепция подразумевает рост механической и температурной нагрузки на компоненты двигателя, в том числе и на поршни. Новые технологии производства и металлические сплавы позволяют поршням MAHLE долговременно выдерживать нагрузки при работе в автомобилях с двигателями нового поколения. Благодаря нашему многолетнему опыту разработок и поставок компонентов двигателя для производителей болидов таких известных соревнований как Формула-1, MAHLE знает, как оптимизировать работу поршня и одновременно уменьшить его вес.

2. – Критерий долговечности даже не обсуждается! Автовладельцы ожидают, что поршни нового поколения будут не только более надежными, но и позволят сократить расход топлива, а также объем вредных выбросов в атмосферу. Безусловно, для увеличения мощности и оптимизации эмиссии выхлопных газов понадобится как минимум один турбонагнетатель (к примеру, модель Bugatti Chiron оснащена четырьмя турбинами MAHLE). Детали новых автомобилей должны сочетать в себе максимальную мощность, оптимальный расход топлива и минимизировать вредные выбросы.

3. – Современные поршни MAHLE из алюминиево-кремниевого сплава отлично работают в бензиновых двигателях. Особенности формы и специального покрытия юбки поршня позволяют уменьшить трение между поршнем и поверхностью цилиндра.

4. – Особая форма головки поршня обеспечивает наиболее эффективное смесеобразование. Конструкция колец поршня также играет особую роль. Так поршневые кольца MAHLE изготавливаются из особых материалов со сверхстойким покрытием, это дает возможность уменьшить толщину поршневого кольца, что ведет к снижению трения. Секрет колец MAHLE кроется в специальном электрохимическом покрытии как самих колец, так и канавок поршня.

5. – Здесь нужно отметить, что температура не всегда играет негативную роль. Для снижения уровня выбросов CO2 требуется довести двигатель и катализатор до рабочей температуры как можно быстрее. Важно обращать внимание на всю систему охлаждения ДВС, а не только на поршни. Помимо производства деталей и периферии для двигателя внутреннего сгорания, что является одной из основных специализаций MAHLE, здесь важна и наша экспертиза в термоменеджменте. Помимо охлаждения поршня, например, струей масла и с помощью охлаждающего канала внутри поршня, а также термостата, теплообменника, радиатора, водяного и масляного насоса, мы регулируем температуру головки цилиндра, блока цилиндров и коробки передач. Температура выхлопных газов, которые возвращаются в двигатель через клапан рециркуляции, регулируется охладителями MAHLE, а интеркулер влияет на эффективность работы мотора.

Для MAHLE будущее наступило уже сейчас. Поэтому команда инженеров MAHLE работает над гибридными и электроприводами. В будущем только комбинация тепловых и электродвигателей будет давать желаемые результаты, которые позволят автовладельцам не только получать удовольствие от езды на мощном автомобиле и экономить топливо, но и беречь экологию.

Владимир Суров, руководитель технического департамента Rheinmetall, дивизион MS Motorservice International:

1. – Для выполнения современных жестких норм токсичности и в связи с даунсайзингом конструкция поршней претерпела серьезные изменения. Поскольку моторы с непосредственным впрыском разрабатывались для работы на сверх обедненных 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) подчас имеют сложную форму днища для того, чтобы создать максимальную концентрацию «топливного заряда» непосредственно возле электродов свечи зажигания.

Одной из самых передовых на сегодняшний момент разработкой KOLBENSCHMIDT является поршень LITEKS®-3. Это поршень облегченной конструкции и пониженного трения для бензиновых двигателей.

2. – 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.

Последовательное поступательное 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 совершенствования, в связи с дополнительно оптимизированной технологией литья и последовательной адаптации конструкции к получающимся материально-специфичным преимуществам.

3. – Чтобы уменьшить вес, мы 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®.

4. – Выходное преимущество трения в юбке работающего двигателя для этой концепции поршня было проверено путем применения технологии тестирования с плавающей гильзой (floating-liner), и может достигать до 46%! Все это возможно только за счет реализации комплексного пакета мер по снижению трения, таких как асимметричная конфигурация ширины юбки поршня (рисунок 1), достаточная для того, чтобы выдержать приложенные нагрузки, уменьшение осевого смещения, увеличение зазора, а также использование нового покрытия юбки поршня NANOFRIKS®. Хотелось бы заметить, что при тестировании проверяются даже такие параметры, как поршневой шум, который в данном случае был также проверен и находится на уровне предыдущих конструкций.

5. Трибометрические тесты подтверждают, что покрытие NANOFRIKS® уменьшает коэффи­циент сухого трения и износа более чем на 50% по сравнению со стандартными покрытиями. С этой целью NANOFRIKS® устанавливает новые стандарты, показывая адаптированную комбинацию нано частиц, связывающих агентов, твердых смазок и присадок.

Успешное серийное применение NANOFRIKS® у ведущих автопроизводителей во всем мире подчеркивает лидерство KOLBENSCHMIDT в технологиях по поршневым покрытия.

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 нам подходить к разработке деталей более системно, анализируя не только работу двигателя, но и топливно-воздушных систем.

Максим Атаров, менеджер по технической поддержке, обучению и гарантии Federal-Mogul:

1. – Ужесточение законодательных экологических норм по выбросам углекислого газа и вредных веществ в атмосферу привело к использованию двигателей уменьшенного рабочего объема с применением нагнетателя воздуха, прямого впрыска топлива, что естественно привело к увеличению тепловой и механической нагрузки на поршень. Все чаще применяются двигатели, работающие в режиме «Старт-Стоп», или с отключением части цилиндров в зависимости от режима работы. Большинство современных бензиновых двигателей с использованием нагнетателя и прямого впрыска находятся в диапазоне удельной мощности от 70 до 120 кВт/ л.с. с давлением в камере сгорания до 120 бар. Увеличившиеся тепловые и механические нагрузки на поршень в современных бензиновых двигателях требуют использования новых конструктивных решений при проектировании поршней и новых типов покрытий. Применение специальных алюминиевых сплавов меньшего веса, использование конструкций поршня с меньшей толщиной стенок и выборки материала, юбки меньшей площади соприкосновения со стенками цилиндра позволяют существенно снизить вес поршня. Примером такого типа поршня является поршень нового поколения Nüral Advanced Elastoval II, специально спроектированный для современных бензиновых двигателей с нагнетателем воздуха и прямым впрыском топлива. Уменьшенная толщина стенки с 4 до 2,5 мм, а также использование глубоких карманов с перегородками в нижней части головки поршня позволили снизить вес конструкции на 15% по сравнению с конструкциями предыдущего поколения поршней. Повышение тепловой нагрузки на поршень в ряде теплонагруженных двигателей решается использованием вставки-усилителя в канавке верхнего поршневого кольца, а также применение канала масляного охлаждения, расположенного высоко в головке поршня, что раньше, как правило, использовалось преимущественно в дизельных двигателях. Примером может являться конструкция поршня Nüral Elastothermic™. Поршни Nüral Elastothermic™ отличаются овальной юбкой асимметричной формы с уменьшенным зазором и меньшим расстоянием между наклонными боковыми поверхностями. Они могут быть многоугольными с поперечной толщиной стенки всего 2,5 мм. Все эти элементы увеличивают структурную прочность поршня, одновременно уменьшая его массу и снижая трение.

2. – Основными критериями, которыми руководствуются инженеры при проектировании поршня являются:

• способность поршня воспринимать более высокие механические и тепловые нагрузки, свойственные современным малолитражным двигателям (так называемый даунсайзинг);
• снижение потерь на трение, уменьшение вредных выбросов в атмосферу, включая выбросы углекислого газа и снижение расхода топлива;
• возможность эксплуатации с альтернативными видами топлива, включая сжиженный углеводородный и природный газ;
• снижение массы поршня, обеспечение работы с меньшим уровнем вибраций и шума.

3. – Поршни Nüral для бензиновых двигателей изготавливаются из алюминиевых сплавов, стойких к механическим и термическим нагрузкам. Примером таких материалов может являться сплав S2N high performance alloy, применяемый при изготовлении поршней Nüral Advanced Elastoval II ™ .

Использование процесса литья алюминиевого сплава в атмосфере инертного газа позволяет снизить образование оксидов и повысить качество литья.

Для контроля качества при производстве поршней Federal Mogul используются неразрушающие методы контроля качества изделий, а именно: 2D электромагнитный метод (вихревых токов) и 2D ультразвуковой метод контроля. Эти методы контроля позволяют за короткое время выявить точное местонахождение и размеры дефектов, если таковые имеются.

4. – Форма днища поршня зависит от конструкции двигателя и применяемой системы впрыска топлива. В двигателях с нагнетателем воздуха и прямым впрыском днище поршня, как правило, имеет чашеобразную выемку, форма которой позволяет закрутить поток поступающего воздуха в камеру сгорания и направить впрыскиваемое топливо к свече зажигания, обеспечивая полноту сгорания смеси.

5. – Использование асимметричной формы юбки в поршнях позволяет увеличить структурную прочность поршня, одновременно уменьшая его массу и снижая трение.

В поршнях Nüral для бензиновых двигателей используется запатентованное Federal-Mogul покрытие EcoTough™, в состав которого входят твердые смазочные вещества, включая графит, дисульфид молибдена и карбон, нанесенное на юбку поршня. Это покрытие обеспечивает снижение потерь на трение до 18%, снижение общих паразитных потерь в двигателе до 3% и уменьшение расхода топлива до 0,8% при штатных режимах эксплуатации. Покрытие рассчитано на весь срок службы поршня.

Дмитрий Ванходло, технический директор компании «Механика»: