Усовершенствованное покрытие и новая конструкция способствуют повышению топливной экономичности и сокращению выбросов CO₂ коммерческими автомобилями

Висбаден, Германия, август 2014 года. Применив различные технологии, материалы и конструктивные решения, специалисты Federal-Mogul Powertrain, подразделения Federal-Mogul Holdings Corporation (NASDAQ: FDML), смогли значительно снизить показатели трения поршневых колец высоконагруженных дизельных двигателей. Это позволит автопроизводителям существенно сократить выброс CO₂ и повысить топливную экономичность. Снизив трение при одновременном улучшении противозадирных свойств и увеличении срока службы поршневых колец, компания совершила настоящий прорыв в отрасли.

Пристальное внимание к снижению показателей трения поршневых колец обусловлено важностью этого параметра для снижения расхода топлива и выбросов CO₂. В высоконагруженных дизельных двигателях до 10 % энергии, получаемой при сжигании топлива, расходуется на механические потери. При этом большая часть таких потерь (25 % от общих механических потерь и около 4 % от расхода топлива) приходится на трение между поршневыми кольцами и зеркалом цилиндра.

«Трение между поршневыми кольцами и зеркалом цилиндра определяется тремя основными факторами: тангенциальными силами, толщиной кольца и покрытием рабочих кромок кольца, — рассказывает доктор Штеффен Хоппе (Dr. Steffen Hoppe), директор по технологиям, подразделение Rings and Liners компании Federal-Mogul Powertrain. — Мы использовали комбинированный подход, который позволил нам уменьшить трение от всех трех источников и одновременно повысить износостойкость колец для увеличения срока их службы. При этом нам удалось не только сохранить, но и улучшить основную функцию колец — изоляцию камеры сгорания от картера двигателя». С учетом этих факторов, компания Federal-Mogul для снижения трения применила инновационные технологии, производственные процессы и материалы, включая покрытие для поршневых колец DuroGlide^®, запатентованный профиль поршневого кольца LKZ^® и процесс вертикального литья в сочетании с высококачественной литой сталью GOE70.

DuroGlide^®: инновационное покрытие для поршневых колец

Разработанное компанией Federal-Mogul покрытие DuroGlide^® по праву считается революционным решением в сфере технологий покрытий поршневых колец, поскольку обеспечивает потрясающую комбинацию низкого трения и исключительной долговечности даже при самых тяжелых условиях эксплуатации двигателя. При этом по своим рабочим характеристикам новое покрытие превосходит продукты, представленные на рынке. В ходе испытаний поршневые кольца с покрытием DuroGlide^® продемонстрировали наибольшую долговечность и повышенную на 1,2 % топливную экономичность по сравнению с другими поршневыми кольцами. Покрытие DuroGlide^® также обладает превосходными противозадирными свойствами, благодаря чему новая технология отлично подходит для мощных и экономичных двигателей, в которых из-за более гладких поверхностей стенок цилиндра, применения масел низкой вязкости, агрессивных алгоритмов впрыска топлива и очень высоких температур существует риск недостаточного смазывания.

Инновационные свойства покрытия DuroGlide^® обеспечиваются наличием аморфного углеродсодержащего слоя, имеющего высокую твердость. Он улучшает смазываемость поверхностей и действует в качестве физически и химически инертного барьера, предотвращающего непосредственный контакт сопряженных поверхностей в режиме граничной смазки. Кроме того, слой содержит углерод с алмазоподобной структурой в концентрации, значения которой превышают показатели предыдущих разработок (около 50 %). Это обеспечивает исключительную твердость (до 5000HV0.2) и двукратное снижение фактической интенсивности износа по сравнению с лучшими покрытиями для поршневых колец.

«До настоящего времени толщина высокопрочных углеродных покрытий, представленных на рынке, обычно ограничивалась несколькими микронами. Это было связано с тем, что при увеличении толщины покрытия происходит рост остаточных напряжений и, как следствие, увеличение риска его отслоения, — объясняет г-н Хоппе. — Кроме того, для получения хороших показателей трения и износа требуется наличие очень гладких поверхностей, которые невозможно получить с помощью традиционных методов чистовой обработки».

Компания Federal-Mogul разработала инновационные методы обработки поверхностей и процесс физического осаждения из паровой фазы, которые позволяют получить покрытие толщиной более 25 микрон без риска его отслоения. С помощью разработанных процессов можно наносить покрытие на компоненты, работающие с высокими контактными давлениями, например на поршневые кольца. Компания также внедрила специальный процесс полировки. Он обеспечивает очень высокую гладкость поверхности, что способствует дополнительному снижению трения. На сегодняшний день сразу несколько клиентов заключили с компанией Federal-Mogul контракты, связанные с применением новой технологии, и уже ведется подготовка к серийному производству поршневых колец с покрытием DuroGlide^®.

Снижение величины тангенциальных сил

Тангенциальные силы в существующих поршневых кольцах Federal-Mogul для стандартного высоконагруженного дизельного двигателя, соответствующего требованиям стандарта Euro-6, (диаметр отверстия цилиндра 130 мм) достигают значения около 100 Н. Всего несколько лет назад это усилие для двигателей Euro-3 составляло 138 Н. В настоящее время компания работает над снижением тангенциальных сил вплоть до 60 Н. Для обеспечения низкого расхода масла при таких низких тангенциальных силах компания Federal-Mogul разработала запатентованный профиль LKZ^®, представляющий собой ступенчатую, конусную поверхность рабочей кромки поршневого кольца, снижающую трение на 20 % по сравнению с лучшими образцами обычных маслосъемных колец, состоящих из двух частей.

«Обычные поршневые кольца оказывают одинаковое давление на стенки цилиндра как при ходе поршня вниз по направлению к коленчатому валу, так и при ходе поршня вверх по направлению к камере сгорания, — говорит г-н Хоппе. —  Наши кольца LKZ^® работают более эффективно при ходе поршня вниз, когда необходимо вернуть масло в масляный поддон, в то время как при движении поршня вверх они и так достаточно эффективно предотвращают проникновение масла в камеру сгорания. Таким образом, мы добиваемся снижения расхода масла и получаем возможность снизить натяжение кольца и трение».

Тоньше кольца, прочнее материал

Компания Federal-Mogul также уменьшила толщину поршневых колец с 3–4 мм до 2,5–3,5 мм для стандартного двигателя Euro-6. Снижение толщины колец до 2–3 мм находится на стадии разработки. Для обеспечения надежности более тонких поршневых колец компания разработала абсолютно новый, высокоавтоматизированный процесс литья, оптимизированный с помощью технологий современного моделирования. Это позволило добиться стабильно высокого качества литых заготовок для поршневых колец.

Оптимизированный процесс литья дал возможность разработать более совершенную литую сталь GOE70, предел прочности которой на 50 % выше по сравнению с традиционными поршневыми кольцами из чугуна со сфероидальным графитом. Серийное применение нового материала началось в 2012 году при изготовлении высоконагруженных двигателей, соответствующих требованиям Euro-6.

Говоря о будущих разработках, г-н Хоппе предполагает, что трение поршневых колец может быть снижено еще на 30 %, что эквивалентно сокращению BSFC (удельный расход топлива при испытании двигателя на тормозном стенде) на 1,2 %, и подчеркивает важность тесного сотрудничества с заказчиками. «Полный потенциал оптимизации поршневых колец можно реализовать только при подгонке друг к другу конструкции поршня, колец, геометрии цилиндра и других параметров блока цилиндров,» — говорит г‑н Хоппе.