CC BY
102
УДК 621.436.016.4
ПРИМЕНЕНИЕ ПОРШНЕЙ С КОРУНДОВЫМ СЛОЕМ -СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В.В. Шпаковский, к.т.н., ст. науч. сотр., В.А. Пылёв, профессор, д.т.н., В.В. Осейчук, инженер, НТУ «Х1111»
Аннотация. В результате экспериментальных исследований установлено, что поршни с корундовым поверхностным слоем на днище, кольцевом поясе и цилиндрической части имеют более высокую прочность межкольцевых перемычек, не склонны к прогарам и задирам.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, поршень, надёжность, работоспособность, прочность, покрытие, испытания.
Введение
Проблема повышения качества двигателей внутреннего сгорания (ДВС) актуальна и сегодня. Одним из показателей качества работы двигателя является его надёжность, включающая такие показатели как безотказность, долговечность и ремонтопригодность. Безотказность работы двигателя зависит от сохранения работоспособности его деталей и в частности от работоспособности поршней, самых теплонагруженных деталей камеры сгорания.
Анализ публикаций
Вопросам повышения термической и длительной прочности поршней посвящены многочисленные исследования [1 - 3]. Для снижения температурных нагрузок, уменьшения перепадов температур и термических напряжений предложены различные способы охлаждения поршней. Чтобы ограничить подвод тепла от рабочего тела к поршню применяются теплоизолирующие накладки и покрытия. Однако проблема повышения прочности поршней остаётся актуальной. Решению данной проблемы и посвящена эта статья.
Цель и постановка задачи
При нанесении керамических покрытий на поршень происходит их отслаивание, так
как в процессе работы двигателя происходит нагрев и охлаждение поршня, а разница в тепловом расширении алюминиевого сплава и керамики очень велика. Это и приводит к отслаиванию керамического слоя. При образовании керамического (корундового) слоя на наружной поверхности поршня методом гальвано-плазменной обработки отслаивания не происходит, так как корундовый слой образуется окислением алюминиевой поверхности поршня в плазме. Целью этой статьи является определение работоспособности поршней с поверхностным корундовым слоем.
Работоспособность поршней с корундовым слоем
Работоспособность поршней оценивалась по детонационной стойкости кольцевых перемычек. Испытания поршней проводились на серийном двигателе МеМЗ-245 по методике, разработанной на Мелитопольском моторном заводе. Определение детонационной стойкости поршней (стойкости перемычек между первым и вторым кольцом) осуществлялось по количеству полностью отработанных циклов до повышения давления картерных газов двигателя от 5 - 8 мм вод. ст. до 20 - 25 мм вод. ст. во время работы с детонацией на режиме выдержки. В ходе испытаний проводилась замена повреждённых серийных поршней. Частично обновлённый, после поломки перемычек,
комплект серийных поршней обкатывался в течение 6 часов и испытания продолжались. Испытания проводились на 8 комплектах поршней. Комплекты № 1, 2, 3, 4 и 5 - это серийные поршни. Комплект №6 - опытные поршни с корундовым поверхностным слоем толщиной до 200 мкм на днище поршня. Комплекты № 7 и 8 - опытные поршни с корундовым поверхностным слоем толщиной до 200 мкм на днище поршня и с переменной толщиной от 20 до 150 мкм, пропорциональной тепловым и силовым нагрузкам, на перемычках и в канавках под кольца.
Испытания комплектов поршней № 1 и № 6 проводились в экспериментальном цехе завода на тормозном стенде с динамометром постоянного тока на серийном двигателе МеМЗ-245 б/н, оборудованном поочерёдно серийными и опытными поршнями. Оборудование и приборы отвечали требованиям ГОСТ 14846-81. Двигатель работал на бензине А-76 и моторном масле М6/10Г. Степень сжатия 9,5 подбиралась для каждого комплекта поршней (отчёт МеМЗ № 2466). Двигатель прогревался до установившейся температуры воды и масла при «=2500 мин4 и работал по следующим циклам: в течение 2 мин увеличение нагрузки с 50% до 100%, работа с детонацией 30 сек при №мах, снижение мощности до 50%, работа между циклами без детонации - 1 мин. Время цикла 2,5 мин. В процессе испытаний комплект серийных поршней № 1 отработал до поломки перемычки 2 цикла, а комплект №6 опытных поршней отработал 8 полных циклов. В четвёртом цилиндре произошла поломка перемычки. При этом температуры поршней с корундовым слоем были ниже температур серийных поршней.
Результаты испытаний показали, что серийные поршни выдержали 2 цикла работы с детонацией, а поршни с корундовым слоем на днище - 8 циклов работы с детонацией, т.е. имеют в 4 раза большую прочность межколь-цевых перемычек. Это объясняется теплоизоляцией поршня и более мягким процессом сгорания топлива. После замены поршня с поломанной перемычкой комплект №1 отработал 5 циклов до поломки перемычки (рис. 1).
Испытания комплектов поршней № 2, 3, 4, 7 проводились на двигателе МеМЗ-245 №001066, со степенью сжатия 9,5, оборудо-
ванном поочерёдно серийными и опытными поршнями (отчёт МеМЗ № 2480) на тормозном стенде DS-736 4/у Всетин с использованием бензина А76 и моторного масла М6/10Г. Испытания комплекта опытных поршней №7 проводились для оценки влияния корундового слоя, образованного на днище поршня и кольцевых перемычках, на детонационную стойкость поршней. Двигатель прогревался до установившейся температуры воды и масла при п = 2500 мин4 и работал по следующим циклам: при Мкр = 30 Н-м плавно за 25 - 30 с открывается дроссель до Мкр = 74 - 75 Н-м , выдержка в течение 25 -30 с при п = 2500 мин-1 и Мкр = 74 -75 Н-м, затем сброс нагрузки до работы без детонации за 25 - 30 с, работа без детонации до установившихся температур воды и масла в течение 1 мин. Суммарное время цикла составляет 2,56 мин.
1 2 3 4 6 7
№ комплекта
Рис. 1. Детонационная стойкость серийных и опытных поршней: комплекты № 1, 2, 3, 4 - серийные поршни: комплект № 6 - с корундовым слоем на днище поршня; комплект № 7 - с корундовым слоем на днище поршня и кольцевых перемычках
Комплект № 2 отработал 2 цикла с детонацией. При этом давление картерных газов выросло от 10 - 12 до 25 - 28 мм вод. ст. Меж-кольцевая перемычка поршня 3-го цилиндра прогнулась и искривилась. После замены поршня 3-го цилиндра двигатель отработал 4 цикла. При этом во втором цилиндре сломалась перемычка, а в первом и четвёртом цилиндрах на поршнях залегли кольца.
Комплект № 3 отработал 3 цикла. При этом во втором цилиндре появилась трещина и подрез основания межкольцевой перемычки поршня. После замены поршня второго цилиндра двигатель отработал 5 циклов с детонацией. В результате сломалась перемычка во втором цилиндре, а в третьем и четвёртом
цилиндрах на перемычках появилась трещина и подрез основания.
Комплект № 4 отработал 4 цикла. Поломка кольцевой перемычки произошла в 4 цилиндре, а во втором цилиндре на поршне залегли кольца.
Комплект опытных поршней № 7 с корундовым слоем на днище и перемычках отработал 9 циклов с детонацией. В четвёртом цилиндре произошла поломка перемычки поршня, а в поршнях первого, второго и третьего цилиндров залегли кольца (рис. 1).
Из диаграммы (рис.1) видно, что детонационная стойкость комплекта поршней №6 с корундовым слоем только на днище поршней, в два раза выше, чем стойкость серийных поршней. Хотя на кольцевых перемычках корундового слоя не было, прочность перемычек стала выше. Это объясняется тем, что корундовый слой на днище поршня уменьшил тепловой поток в тело поршня, температура тела поршня стала ниже, что привело к повышению предела прочности металла перемычек. Кроме этого снизилась жёсткость процесса сгорания топлива.
Детонационная стойкость комплекта поршней №7 с корундовым слоем на днище поршней и перемычках ещё выше, что объясняется теплоизоляцией кольцевых перемычек, повышением прочности и твёрдости поверхностного слоя перемычек.
Для оценки влияния корундового слоя, образованного на донышках поршней и кольцевых перемычках, на стойкость поршней к прогару днища и задирам на двигателе, оснащенном системой турбонаддува, проводились стендовые испытания комплектов серийных поршней №5 и опытных поршней (комплект № 8). Испытания выполнялись на двигателе МеМЗ-245 № 001066 со степенью сжатия 8,2, оснащенном системой турбонаддува, способной обеспечить величину давления на впуске рк = 0,070927 МПа и максимальную мощность двигателя до 120 кВт.
Серийные поршни комплекта № 5 при давлении наддува 0,0456 - 0,0507 МПа, при степени сжатия 8 - 8,2 не позволяют достичь высоких параметров, т.к. происходят задиры, имеются случаи прогара.
Опытные поршни комплекта №8 отработали на обкатке 13 час. 35 мин. Затем была определена скоростная характеристика. Двигатель развил параметры №тах = 111,2 кВт при п = 5000 мин-1, рк = 0,081 МПа наддува; Мкртах = 120,4 Н-м при п = 4000 мин1.
С помощью датчиков ПМТК в процессе испытаний производились измерения температур внутренней части поршня, измерялась температура над верхним компрессионным кольцом, в перемычке между первым и вторым кольцом, в первом и втором компрессионном кольце. Температуры поршней с корундовым слоем были ниже температур серийных поршней: с внутренней стороны на 12 - 15°С; над верхним компрессионным кольцом на 15 - 32°С; на перемычке между компрессионными кольцами на 7 - 21 °С; во втором компрессионном кольце на 1 - 8°С.
Эксплуатационные испытания двигателя с опытными поршнями комплекта №8 проводились на автомобиле ЗАЗ - 1102. После пробега 10 тыс. км со средней скоростью 121 км/час двигатель был разобран, поршни сняты, осмотрены. Замечаний не было.
Выводы
Результаты испытаний показали, что серийные поршни выдерживают, в среднем, 4 цикла работы с детонацией. Поршни с корундовым слоем на днище выдерживают 8 циклов работы с детонацией, то есть имеют в 2 раза большую детонационную стойкость перемычек.
Наличие теплоизолирующего корундового слоя только на днище поршня толщиной до 200 мкм позволяет увеличить прочность поршня и стойкость перемычек за счёт уменьшения теплового потока и снижения температуры поршня.
Поршни с корундовым слоем на днище и кольцевом поясе выдерживают 9 циклов работы с детонацией, то есть имеют в 2,25 раза более высокую прочность межкольцевых перемычек.
Образование корундового слоя на кольцевых перемычках поршня позволяет увеличить детонационную стойкость поршня за счёт теплостойкости и твёрдости поверхностного слоя перемычек.
Серийные поршни не позволяют достичь максимальной мощности до 120 кВт при давлении на впуске рк = 0,070927 МПа из-за появления задиров и прогара днища на двигателе с турбонагнетателем.
Поршни с корундовым слоем на днище и кольцевом поясе позволили достичь на двигателе с турбонагнетателем №тах = 111,2 кВт при «=5000 мин-1, рк = 0,081 МПа наддува и Мкртах = 120,4 Н-м при п =4000 мин-1 , рк = 0,081 МПа.
У поршней с корундовым слоем на днище и кольцевом поясе температуры внутренней части донышка, над верхним компрессионным кольцом и на перемычке между компрессионными кольцами ниже, чем температуры на серийном поршне на 12 - 20 °С.
Поршни с корундовым поверхностным слоем с 1987 г. установлены и успешно работают более чем на 1000 бензиновых и дизельных
двигателях легковых и грузовых автомобилей, мотоциклов, тракторов, автобусов и на тепловозных двигателях в Украине, России, Германии, США.
Литература
1. Костин А.К., Ларионов В.В., Михайлов
Л.И. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания. - Л.: Машиностроение, 1979.
2. Никитин М.Д., Кулик А.Я., Захаров Н.И.
Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей. - Л.: Машиностроение, 1977.
3. Абрамчук Ф.І., Рязанцев М.К., Шеховцов
А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння. -Т.6. - Харків: ХНАДУ, 2004.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 4 мая 2007 г.
