Нові розробки Federal-Mogul для поршневих кілець знижують тертя у високонавантажених дизельних
Пильну увагу до зниження показників тертя поршневих кілець зумовлено важливістю цього параметра зниження витрати палива і викидів CO2. У високонавантажених дизельних двигунах до 10% енергії, що отримується при спалюванні палива, витрачається на механічні втрати. При цьому більшість таких втрат (25% від загальних механічних втрат і близько 4% від витрати палива) припадає на тертя між поршневими кільцями та дзеркалом циліндра.
«Тертя між поршневими кільцями і дзеркалом циліндра визначається трьома основними чинниками: тангенціальними силами, товщиною кільця і покриттям робочих кільців кільця, - розповідає доктор Штеффен Хоппе (Dr. SteffenHoppe), директор з технологій, підрозділ RingsandLineguls компанії Feder — Ми використовували комбінований підхід, який дозволив нам зменшити тертя від усіх трьох джерел та одночасно підвищити зносостійкість кілець для збільшення терміну їхньої служби. При цьому нам вдалося не лише зберегти, а й покращити основну функцію кілець – ізоляцію камери згоряння від картера двигуна». З урахуванням цих факторів, компанія Federal-Mogul для зниження тертя застосувала інноваційні технології, виробничі процеси та матеріали, включаючи покриття для поршневих кілець DuroGlide®, запатентований профіль поршневого кільця LKZ® та процес вертикального лиття у поєднанні з високоякісною литою сталлю GOE70.
DuroGlide®: інноваційне покриття для поршневих кілець
Розроблене компанією Federal-Mogul покриття DuroGlide® по праву вважається революційним рішенням у сфері технологій покриттів поршневих кілець, оскільки забезпечує чудовукомбінацію низького тертя та виняткової довговічності навіть за найважчих умов експлуатації двигуна. При цьому за своїми робочими характеристиками нове покриття перевершує продукти, представлені на ринку. Під час випробувань поршневі кільця з покриттям DuroGlide® продемонстрували найбільшу довговічність та підвищену на 1,2% паливну економічність порівняно з іншими поршневими кільцями. Покриття DuroGlide® також має чудові протизадирні властивості, завдяки чому нова технологія відмінно підходить для потужних і економічних двигунів, в яких через гладкі поверхні стінок циліндра, застосування масел низької в'язкості, агресивних алгоритмів упорскування палива і дуже високих температур існує ризик недостатнього змащування.
Інноваційні властивості покриття DuroGlide® забезпечуються наявністю аморфного вуглецевмісного шару, що має високу твердість. Він покращує змащування поверхонь і діє як фізично і хімічно інертний бар'єр, що запобігає безпосередньому контакту сполучених поверхонь у режимі граничного мастила. Крім того, шар містить вуглець з алмазоподібною структурою в концентрації, значення якої перевищують показники попередніх розробок (близько 50%). Це забезпечує виняткову твердість (до 5000HV0.2) та дворазове зниження фактичної інтенсивності зносу порівняно з кращими покриттями для поршневих кілець.
«До сьогодні товщина високоміцних вуглецевих покриттів, представлених на ринку, зазвичай обмежувалася кількома мікронами. Це було з тим, що зі збільшенням товщини покриття відбувається зростання залишкових напруг і, як наслідок, збільшення ризику його відшарування,— пояснює пан Хоппе. — Крім того, для отримання хороших показників тертя тазношування потрібна наявність дуже гладких поверхонь, які неможливо отримати за допомогою традиційних методів чистової обробки».
Компанія Federal-Mogul розробила інноваційні методи обробки поверхонь та процес фізичного осадження з парової фази, які дозволяють отримати покриття завтовшки понад 25 мікронів без ризику його відшарування. За допомогою розроблених процесів можна наносити покриття на компоненти, що працюють з високими контактними тисками, наприклад, на поршневі кільця. Компанія також запровадила спеціальний процес полірування. Він забезпечує дуже високу гладкість поверхні, що сприяє додатковому зниженню тертя. Наразі кілька клієнтів уклали з компанією Federal-Mogul контракти, пов'язані із застосуванням нової технології, і вже ведеться підготовка до серійного виробництва поршневих кілець з покриттям DuroGlide®.
Зниження величини тангенційних сил
Тангенційні сили в існуючих поршневих кільцях Federal-Mogul для стандартного високонавантаженого дизельного двигуна, що відповідає вимогам стандарту Euro-6 (діаметр отвору циліндра 130 мм) досягають значення близько 100 Н. Усього кілька років тому це зусилля для двигунів Euro-3 становило 138. В даний час компанія працює над зниженням тангенціальних сил аж до 60 Н. Для забезпечення низької витрати масла при таких низьких тангенціальних силах компанія Federal-Mogul розробила запатентований профіль LKZ®, що є ступінчастою, конусною поверхнею робочої кромки поршневого кільця, що знижує тертя на 20 % порівняно з найкращими зразками звичайних маслознімних кілець, що складаються з двох частин.
«Звичайні поршневі кільця чинять однаковий тиск на стінки циліндра як при ході поршня вниз подо колінчастого валу, так і при ході поршня вгору в напрямку до камери згоряння, - каже пан Хоппе. — Наші кільця LKZ® працюють більш ефективно при ході поршня вниз, коли необхідно повернути олію в масляний піддон, тоді як під час руху поршня вгору вони і так досить ефективно запобігають проникненню олії в камеру згоряння. Таким чином, ми домагаємося зниження витрати олії та отримуємо можливість знизити натяг кільця та тертя».
Тонше кільця, міцніше матеріал
Компанія Federal-Mogul також зменшила товщину поршневих кілець з 3-4 мм до 2,5-3,5 мм для стандартного двигуна Euro-6. Зниження товщини кілець до 2-3 мм знаходиться на стадії розробки. Для забезпечення надійності тонших поршневих кілець компанія розробила абсолютно новий, високоавтоматизований процес лиття, оптимізований за допомогою технологій сучасного моделювання. Це дозволило досягти стабільно високої якості литих заготовок для поршневих кілець.
Оптимізований процес лиття дав можливість розробити більш досконалу литу сталь GOE70, межа міцності якої на 50 % вище порівняно з традиційними кільцями поршневими з чавуну зі сфероїдальним графітом. Серійне застосування нового матеріалу розпочалося у 2012 році при виготовленні високонавантажених двигунів, що відповідають вимогам Euro-6.
Говорячи про майбутні розробки, пан Хопп припускає, що тертя поршневих кілець може бути знижено ще на 30%, що еквівалентно скорочення BSFC (питома витрата палива при випробуванні двигуна на гальмівному стенді) на 1,2%, і підкреслює важливість тісної співпраці з замовниками. «Повний потенціал оптимізації поршневих кілець можна реалізувати тільки при припасуванні один до одного конструкції поршня, кілець, геометрії.циліндра та інших параметрів блоку циліндрів, »- каже пан Хоппе.