Компания Federal-Mogul провела традиционный "День технологий". Для встречи выбрали г. Висбаден. Это не случайно - в Висбадене расположен завод по производству подшипников для двигателей, история которого насчитывает 120 лет. Докладчики рассказали о различных компонентах двигателей коммерческих грузовиков и осветили ближайшие перспективы двигателестроения, на которые уже ориентируются производители тягачей.
Современный двигатель внутреннего сгорания обязан быть экологичным - это условие выживания человечества на густонаселенной планете. Таков был лейтмотив пресс-конференции Federal-Mogul на "Дне технологий" 14-15 мая.
Сегодня для автомобилей строго нормируется уровень выброса углекислого газа - С02. В отличие от угарного газа СО, углекислый газ не токсичен. Однако он способствует парниковому эффекту и глобальному потеплению.
Но не только углекислым газом озабочены столпы автопрома. Необходимо дальнейшее снижение выбросов угарного газа, оксидов азота и твердых микрочастиц углерода. Эти задачи решаются, в частности, за счет концепций downsizing и downspeedeng.
Идеология downsizing - это не просто уменьшение числа цилиндров и размеров агрегата. Это оптимизация геометрии деталей, применение новейших материалов и заводских технологий. Да, двигатели downsizing легче и компактнее. Но главное, они снимают больше мощности с единицы объема и эффективнее сжигают топливо.
Концепция downspeeding заключается в получении дополнительной мощности за счет повышения крутящего момента, без увеличения оборотов. В итоге
частота вращения коленчатого вала у мотора downspeeding в среднем на 15% меньше, чем у обычного двигателя.
При этом уменьшаются насосные потери и расходы мощности на трение.
Какую роль играют в прогрессе моторов компоненты? Об этом говорилось в тематических докладах.
Подшипники. Опережая нормы
Подшипники скольжения для двигателя мастера именуют просто - вкладыши. Мы будем использовать оба термина.
В условиях высоких нагрузок вкладышам важно уметь прирабатываться в парах трения, быть износостойкими и противостоять заклиниванию. Но подход к их технологии должен быть индивидуальным.
Какие подшипники наиболее нагружены при рабочем ходе поршня? По данным Federal-Mogul, верхний шатунный и нижний коренной. Соответственно их напарники - нижний шатунный и верхний коренной вкладыши работают в более щадящих условиях. Чтобы уравнять их возможности и обеспечить одинаково высокий срок службы, применяются различные материалы и технологии.
В частности, "экстремальным" вкладышам обеспечивают большую усталостную прочность, а менее нагруженным - стойкость к абразивным частицам и продуктам старения масла.
Сегодня рынок завоевывают новые вкладыши - бессвинцовые, в том числе и для двигателей грузовых автомобилей.
Для грузовых моторов пока не существует каких-либо ограничений по использованию свинца. Но Federal-Mogul играет на опережение - компания распространила опыт производства беcсвинцовых подшипников для легковых автомобилей и на грузовики.
Подшипники с полимерным покрытием IROXR выдерживают высокую механическую нагрузку, исключая сухое трение при частых пусках и остановках двигателя.
Бессвинцовые материалы разработаны в технологическом центре Federal-Mogul в Висбадене. "Основой для бессвинцовых подшипников служит либо отлитая, либо спеченная заготовка. Ранее, чтобы обеспечить шатунным вкладышам прочность, соответствующую нагрузке до 95 МПа, применяли напыляемое покрытие. Теперь мы можем обеспечить требуемые характеристики с помощью альтернативных решений - таких как полимерное покрытие IROXR" - заявил докладчик Иохим Хэринг.
Прицел на будущее, превентивный ответ на ужесточение экологических норм? Да, но не только.
Бессвинцовые "грузовые" подшипники уже сегодня поставляются в качестве оЕМ известному производителю грузовиков.
Ряд других, не менее именитых компаний изучают возможность применения таких подшипников в своих двигателях.
Плотный, еще плотнее
Герметизацией двигателя в компании Federal-Mogul занимается подразделение Powertrain. Последние разработки адресованы производителям коммерческого транспорта. Что, впрочем, не удивительно: в цилиндрах "коммерсантов" давление достигает 250 бар, а температура отработавших газов доходит до 1000°C.
Современная прокладка ГБЦ - гибридная. она изготавливается из многослойной стали (MLS), а уплотнение жидкостных каналов выполняются из эластомера.
Такая конструкция исключает прорыв отработавших газов и рабочих жидкостей двигателя. Высокотемпературные сплавы (фирменное название HTA) и высокотемпературные покрытия (HTC) обеспечивают герметичность при температурах, которых прокладки из обычной нержавеющей стали и графитовых материалов просто-напросто не выдерживают.
К слову, технология гибридных прокладок - это целая система, концепция. ее название - Analysis-Led-Design (ALD). А суть в следующем.
Разработчики объединили головку блока цилиндров, блок цилиндров и прокладку в одну систему.
Она включает анализ агрегата, подлежащего герметизации, выбор подходящей технологии и проверку результата. В итоге конструктор может быстро рассчитать степень герметизации и долговечность уплотнения. Если результат не удовлетворяет - повторить расчет и добиться необходимых параметров. В итоге внесение дорогостоящих изменений на стадии изготовления двигателя исключаются.
Высокотемпературные сплавы (HTA) и высокотемпературные покрытия (HTC) компании Federal-Mogul, применяемые для изготовления прокладок, надежно герметизируют все стыки. Причем при температурах, которых обычные прокладки просто не выдерживают
Поршни для "коммерсантов"
Если двигатель - сердце автомобиля, то поршень - сердце двигателя. Такую метафору привели специалисты Federal-Mogul, подчеркивая роль поршня в современном моторе. В докладе по поршням акцент был сделан на высоконагруженных дизелях - флагманах двигателестроения для коммерческих авто.
Как известно, поршни изготавливают из алюминия или стали. Первые лучше отводят тепло, вторые более прочные.
Алюминий считается оптимальным материалом для поршней небольшого диаметра - до 120 мм. А сталь - надежным решением для грузовых дизелей с диаметром цилиндра 130 мм и более.
Весьма распространены стальные поршни для среднеразмерных двигателях, если пиковое давление в камере сгорания превышает 210-220 бар.
Специалисты Federal-Mogul оптимизировали характеристики алюминиевого поршня, улучшив его охлаждение. Все гениальное просто: они приблизили маслоохладительный канал к наиболее нагретой зоне поршня. Но столь смелое решение возможно лишь при стабильном качестве литья - иначе деталь может разрушиться. Но здесь выручает еще одно изобретение компании - метод двухмерного ультразвукового контроля каждой отливки. Дефектная деталь в мотор просто не попадет.
Для дизеля очень важна термическая и механическая прочность фигурного днища поршня - ведь это стенка камеры сгорания. Если в этой зоне имеются крупные зерна кремния, неизбежно возникновение усталостных трещин с последующим разрушением поршня. Что делать? Ведь без легирования кремнием литье алюминия не дает нужного качества... к счастью, на помощь приходит запатентованный технологический процесс DuraBowlR. Это измельчение кремниевых кристаллов лучом лазера, фактически - локальная переплавка кромки поршня.
Еще одна инновация для дизеля - покрытие EcoToughR Diesel, уменьшающее трение между юбкой поршня и стенками цилиндра. Достаточно сказать, что в сравнении с обычными графитовыми покрытиями трение здесь снижается на 13%. Секрет прост: в данной технологии используются твердые смазочные материалы и полимеры с углеродным волокном. Наряду со снижением трения этот способ повышает износостойкость пары трения и устойчивость к задирам.
Теперь о поршнях из стали. В конструкции поршней MonosteelR (кстати, испытанных при пиковых давлениях до 300 бар) используются многофакторные компьютерные методы оптимизации геометрии детали. Они обеспечивают высокую эффективность охлаждения и минимизирует вес детали.
Поршневой палец в современных высоконагруженных дизелях испытывает очень большие нагрузки. Во избежание паразитных сил и моментов поршень должен иметь высокую точность отверстий под палец - без применения втулок. Компания разработала финишную технологию удаления "лишнего" металла из зоны отверстия с помощью процесса электро-эрозионной обработки (HPEEM). Тем самым обеспечивается прецизионная точность отверстия под поршневой палец. А значит, нагрузку на поршень можно смело увеличивать.
Стальные поршни также могут иметь покрытие EcoTough DieselR, используемое для алюминиевых поршней. Кроме того, компания разработала покрытие для защиты камеры сгорания в днище поршня. Оно представляет собой слой хрома с содержанием алмазных наночастиц для экранирования тепловой энергии. Тем самым уменьшаются нагарообразова-ние и эрозия кромки камеры сгорания.
"А седла для них есть?"
Идеально работающий клапанный механизм - неотъемлемая часть экологичного двигателя. Говоря о клапанном хозяйстве, докладчики сосредоточились на втулках и седлах. А точнее - на технологиях и материалах для их изготовления.
Вот FM-G15A - сплав для втулки, обеспечивающий износоустойчивость при высоких температурах и снижение вероятности задира стержня клапана. За счет чего? За счет сочетания твердых смазочных материалов, внедренных в матрицу из высокоуглеродистой стали.
А следующая разработка - композит FM-G15E дополнительно улучшает характеристики сплава FM-G15A, оптимально сочетая износостойкость и низкий коэффициент трения. Вакуумная пропитка композита жидкой смазкой обеспечивает дополнительную смазывающую способность и завидную долговечность. А традиционные материалы для втулок - чугун и порошковые материалы - по своим характеристикам остаются далеко позади.
Линейка седел клапанов Federal-Mogul создана на основе последних достижений порошковой металлургии. Для обеспечения требований, предъявляемых к деталям перспективных двигателей, компания создала усовершенствованные композиты. К таким разработкам относятся: добавление износостойких твердосплавных частиц, улучшенный процесс спекания, обеспечивающий максимальную плотность, и сложные многокомпонентные микроструктуры.
К новейшим достижениям можно отнести гибридные порошковые сплавы с использованием инструментальной и нержавеющей стали. Особые присадки обеспечивают коррозионную стойкость, защищая от воздействия агрессивных компонентов топлива - в том числе и альтернативного (биодизель, этанол и др.)
Кольцевая гонка
Поршневые кольца должны обеспечивать очень точную посадку поршня в гильзе, быть стойкими к высоким температурам, давлению и динамическим нагрузкам, и при этом - обеспечивать минимальное трение и износ сопря-гаемх пар. Отсюда их важнейшая роль в обеспечении экологичности двигателя.
По данным компании,
в высоконагруженных дизелях до 10% энергии, получаемой при сжигании топлива, расходуется на механические потери.
При этом большая часть таких потерь (25% от механических и около 4% от сжигания топлива) приходится на трение между поршневыми кольцами и зеркалом цилиндра.
В докладе говорилось о конструктивных и технологических решениях оптимизации поршневых колец. Вот некоторые из них.
Покрытие DuroGlideR называют революцией в технологиях покрытий поршневых колец.
Инновационные свойства DuroGlideR обеспечиваются наличием аморфного углеродсодержащего слоя. Он улучшает смазываемость поверхностей и действует в качестве физически и химически инертного барьера, предотвращающего непосредственный контакт сопряженных поверхностей в режиме граничной смазки.
Наряду с аморфным углеродом покрытие содержит углерод с алмазоподобной структурой. Это обеспечивает исключительную твердость и двукратное снижение износа по сравнению с предыдущими поколениями покрытий.
А еще компания Federal-Mogul разработала инновационные методы обработки поверхностей и процесс физического осаждения материала из паровой фазы. Эти технологии позволяют получить покрытие толщиной более 25 мкм без риска отслоения.
В настоящее время компания работает над снижением тангенциальных сил, действующих на кольцо. Для обеспечения низкого расхода масла специалисты компании разработали запатентованный профиль LKZR. он представляет собой ступенчатую конусную поверхность, снижающую трение на 20% по сравнению с лучшими образцами обычных маслосъемных колец, состоящих из двух частей.
А еще компания Federal-Mogul уменьшила толщину поршневых колец с 3-4 мм до 2,5-3,5 мм. Причем это сделано для серийного двигателя Euro VI. Для обеспечения надежности таких колец специалисты создали абсолютно новый высокоавтоматизированный процесс литья. он позволил добиться стабильно высокого качества литых заготовок для колец.
Что в перспективе? Докладчик заверил, что
в дальнейшем трение поршневых колец может быть снижено еще на 30%.
Кстати, это эквивалентно сокращению BSFC (удельный расход топлива при испытании двигателя на тормозном стенде) на 1,2%. Согласитесь, цифра весьма заманчивая.
"Свечение" газа
Доклад о свечах зажигания был посвящен стационарным и транспортным двигателям, работающим на компримированном природном газе (КПГ).
Так, компания разработала новую серию свечей зажигания для большегрузных автомобилей. Докладчик отметил, что спрос на газовые автомобили для городских пассажирских и грузовых перевозок вызван ужесточением ограничений на выброс вредных веществ. А еще - прессингом экологических организаций, требующих использовать более "чистые" источники энергии.
Действительно, двигатели, работающие на КПГ, соответствуют требованиям Euro VI к токсичности отработавших газов, идеально подходят для решения транспортных задач в густонаселенных городах и реально позволяют уменьшить загрязнение окружающей среды.
Что же, коль есть спрос - будет и результат. С учетом роста данного сегмента рынка корпорация Federal-Mogul разработала новые конструктивные решения и материалы, взяв за основу существующую линейку продуктов для двигателей, работающих на КПГ.
Вот что сказал д-р Рене Треббелс, инженер по системам зажигания компании Federal-Mogul: "Чтобы получить оптимальные рабочие характеристики, увеличить срок службы деталей, повысить топливную экономичность и тем самым обеспечить соответствие требованиям наших клиентов, мы адаптировали технологии под конкретные задачи. Так, в свечах зажигания с иридиевым центральным электродом мы можем использовать различные материалы для бокового электрода в зависимости от области применения свечи. Боковой электрод можно изготовить из платины или иридия. Это позволит оптимизировать поверхность электрода, увеличив срок его службы".
Переходные режимы работы двигателей большегрузных автомобилей, а также разнообразие климатических условий приводят к тому, что характер изменения температуры отличается от соответствующих параметров стационарных двигателей.
Например, двигатели генераторных установок не работают на холостом ходу. Тогда как двигатели большегрузных автомобилей нередко "молотят" на холостых оборотах после режима полной нагрузки. По мнению д-ра Треббелса, это приводит к дополнительным температурным нагрузкам в механических контактах свечи.
"Температура электродов в двигателях большегрузных автомобилей выше по сравнению со стационарными двигателями, а энергия искры - ниже. Однако наш опыт в области геометрии, материаловедения и производственных процессов позволяет обеспечить свечами любые двигатели и режимы их эксплуатации", - заключает д-р Треббелс.
Хорошо, когда есть выбор. Причем всех компонентов - от вкладышей до свечей зажигания. В чем мы и убедились, прослушав цикл докладов на "Дне технологий" Federal-Mogul.
А самое приятное - это сравнение нынешних выступлений с докладами на встречах в 2012 и 2013 годах. Разработки, заявленные как перспективные, сегодня подаются как само собой разумеющиеся. они выпускаются серийно, поставляются в OЕМ и на вторичный рынок. А их место занимают очередные инновации. Вот это и есть прогресс.
Москва - Висбаден - Москва
Фото: abs.msk.ru
Автомобиль и сервис
