База инновационных проектов - Портал инноваций Самарской области

О проекте

Разработка линейки авиационных поршневых двигателей с повышенной (на 15-25%) относительно текущего уровня техники удельной мощностью обеспеченной высокой долей магниевых сплавов в конструкции ("Магниевый" ДВС)». Ближайшая цель проекта – создание опытного производства инновационных магниевых поршней с керамическими покрытиями. Проблему отечественного малогабаритного АПД предлагается решать путем создания опережающего уровня массогабаритных характеристик основного механизма ДВС – кривошипно-шатунного, а также цилиндра. При достаточно высоких оборотах, характерных для малогабаритных АПД (авиационно поршневой двигатель), силы инерции при возвратно-поступательном движении поршня будут близки по абсолютным значениями к газовым силам, передаваемым поршню при сгорании. То есть для четырехтактного двигателя усталостные нагрузки на поршень будут состоять из инерционной части при невысоких температурах (на насосных ходах) и из суммы газовых и инерционных сил (по модулю незначительно превышающих инерционные), но действующих при высоких температурах (сгорание-расширение). Амплитуда сил инерции, действующих на поршневую группу, прямо пропорциональна массе поршня и квадрату угловой скорости. Соответственно, снижение массы поршня в 1,5 раза, возможное при замене сплава на магниевый, позволит снизить амплитуду сил, действующих на поршневую группу в 1,5 раза в низкотемпературной половине цикла и на 20-25% в другой (высокотемпературной) половине. Это позволяет снизить сечения (массы) поршневого пальца и шатунной шейки коленчатого вала. Учитывая, что по сравнению с алюминиевым у магниевого сплава большая прочность при температуре около 300 °С, то снижение массы магниевого поршня может быть и более значительным. Меньшая масса движущихся частей позволит повысить обороты (мощность) ДВС при сохранении нагрузок в КШМ (кривошипно-шатунный механизм). С учетом того, что инерционные силы пропорциональны квадрату угловой скорости, повышение оборотов без снижения массы поршня и шатуна, приведет к значительному увеличению нагрузок в КШМ и, соответственно, на коренные опоры. При высоких удельных нагрузках на ДВС для поршней ДВС характерны перегревы и даже прогары днища (что ведет к аварии двигателя), а также повышенный износ канавки верхнего компрессионного поршневого кольца. Это обусловлено снижением прочности сплава при повышенных температурах, нагарообразовании, трением и микропривариванием поверхности поршневого кольца. Применение функциональных керамических покрытий обеспечивает повышенную износостойкость и тепловую защиту поверхностей поршня. Данные поршни имеют термобарьерное покрытие днища (технология не раскрывается) и канавку верхнего поршневого кольца, упрочненную с помощью твердого анодирования. В отличие от покрытий, полученных анодированием, оксидные слои, сформированные МДО (Микродуговое оксидирование), имеют значительно более высокую прочность сцепления с подложкой и износостойкость. Твердое анодирование, кроме того – довольно дорогой технологический процесс, требующий применения кислотных электролитов и поддержания отрицательных температур электролита, что является довольно сложным и затратным. Применение традиционных технологий газотермического напыления ограничено значительной разницей коэффициентов термического расширения подложки и покрытия, что также снижает прочность сцепления с подложкой. Алюминиевые и магниевые сплавы с модифицированной МДО поверхностью способны работать в условиях одновременных термических и механических нагрузок. Для эффективной работы поршня высоконагруженного ДВС требуется как минимум два типа покрытий: термобарьерное и коррозионностойкое с низкой теплопроводностью и хорошей стойкостью к термоциклированию на днище, и износостойкое в канавке первого поршневого кольца. Технология МДО, предлагаемая в данном проекте, может использоваться для обоих вариантов покрытий (на днище и в канавке поршневого кольца) при этом, в случае необходимости, теплофизические свойства МДО-покрытий могут регулироваться различными режимами МДО. Таким образом, использование технологии МДО для упрочнения, тепловой и коррозионной защиты поверхностей поршня, работающих в экстремальных режимах трения при повышенных температурах и в среде агрессивных продуктов сгорания, позволяет повысить надежность и ресурс поршня.