Новият дизайн на буталните пръстени на Federal-Mogul намалява триенето при силно натоварени дизелови двигатели
Фокусът върху намаляването на триенето на буталните пръстени се дължи на значението му за намаляване на разхода на гориво и емисиите на CO2. При силно натоварените дизелови двигатели до 10% от енергията, получена от изгарянето на горивото, се изразходва за механични загуби. В същото време повечето от тези загуби (25% от общите механични загуби и около 4% от разхода на гориво) се дължат на триене между буталните пръстени и повърхността на цилиндъра.
„Триенето между буталните пръстени и отвора на цилиндъра се определя от три основни фактора: тангенциални сили, дебелина на пръстена и покритие на ръба на пръстена,” казва д-р SteffenHoppe, главен технологичен директор, отдел RingsandLiners на Federal-MogulPowertrain. „Взехме комбиниран подход, който ни позволи да намалим триенето и от трите източника, като същевременно увеличим устойчивостта на износване на пръстените за по-дълъг живот на пръстените. В същото време успяхме не само да запазим, но и да подобрим основната функция на пръстените - изолацията на горивната камера от картера на двигателя. Имайки предвид тези фактори, Federal-Mogul прилага иновативни технологии, производствени процеси и материали за намаляване на триенето, включително покритие на буталните пръстени DuroGlide®, патентования профил на буталните пръстени LKZ® и процес на вертикално леене, комбиниран с висококачествена лята стомана GOE70.
DuroGlide®: иновативно покритие на буталните пръстени
Разработено от Federal-Mogul, покритието DuroGlide® се счита за революционно решение в технологията за покритие на бутални пръстени, тъй като осигурява невероятнокомбинация от ниско триене и изключителна издръжливост дори при най-тежки условия на работа на двигателя. В същото време, по отношение на ефективността си, новото покритие превъзхожда предлаганите на пазара продукти. При тестване буталните пръстени с покритие DuroGlide® показаха най-висока издръжливост и 1,2% подобрена горивна ефективност в сравнение с други бутални пръстени. DuroGlide® също така има отлични свойства при екстремно налягане, което прави новата технология отлична за мощни, горивноефективни двигатели, където по-гладките повърхности на стените на цилиндрите, маслата с нисък вискозитет, агресивните алгоритми за впръскване на гориво и много високите температури са изложени на риск от недостатъчно смазване.
Иновативните свойства на покритието DuroGlide® се осигуряват от наличието на аморфен въглероден слой с висока твърдост. Подобрява смазването на повърхността и действа като физически и химически инертна бариера, предотвратявайки директен контакт на свързващите повърхности в режим на гранично смазване. В допълнение, слоят съдържа въглерод с диамантена структура в концентрация, която надвишава стойностите на предишни разработки (около 50%). Това осигурява изключителна твърдост (до 5000HV0.2) и двукратно намаляване на действителната степен на износване в сравнение с най-добрите покрития на буталните пръстени.
„Досега дебелината на високоякостните въглеродни покрития на пазара обикновено беше ограничена до няколко микрона. Това се дължи на факта, че с увеличаване на дебелината на покритието се увеличават остатъчните напрежения и в резултат на това се увеличава рискът от неговото разслояване, обяснява г-н Хопе. — В допълнение, за да се получат добри стойности на триене иизносването изисква много гладки повърхности, които не са възможни с конвенционалните методи за довършителни работи.“
Federal-Mogul разработи иновативни повърхностни обработки и процес на физическо отлагане на пари, които произвеждат покрития над 25 микрона без риск от разслояване. С разработените процеси е възможно да се покриват компоненти с високо контактно налягане, като бутални пръстени. Компанията е внедрила и специален процес на полиране. Осигурява много висока гладкост на повърхността, като допълнително намалява триенето. Към днешна дата няколко клиенти са подписали договори с Federal-Mogul за новата технология и тече подготовка за серийно производство на бутални пръстени с покритие DuroGlide®.
Намаляване на големината на тангенциалните сили
Тангенциалните сили в съществуващите бутални пръстени на Federal-Mogul за стандартен тежък дизелов двигател Euro 6 (диаметър на цилиндъра 130 mm) достигат около 100 N. Само преди няколко години тази сила за двигатели Euro 3 беше 138 N. Сега компанията работи върху намаляване на тангенциалните сили до 60 N. За да осигури ниска консумация на масло при такива ниски тангенциални сили, Federal-Mogul разработи патентован LKZ® профил, който разполага със стъпаловиден, заострен ръб на буталния пръстен, който намалява триенето с 20% в сравнение с най-добрите от конвенционалните двукомпонентни пръстени за чистачки.
„Конвенционалните бутални пръстени упражняват същия натиск върху стените на цилиндъра, както по време на хода на буталото надолу.към коляновия вал, както и ход нагоре към горивната камера, казва Хопе. „Нашите LKZ® пръстени работят по-ефективно при движение надолу, за да върнат маслото в масления съд, докато при движение нагоре те са доста ефективни за предотвратяване навлизането на масло в горивната камера. По този начин постигаме намалена консумация на масло и сме в състояние да намалим напрежението и триенето на пръстена.“
По-тънки пръстени, по-здрав материал
Federal-Mogul също намали дебелината на буталните пръстени от 3-4 мм на 2,5-3,5 мм за стандартния двигател Евро-6. Намаляването на дебелината на пръстените до 2–3 мм е в процес на разработка. За да гарантира надеждността на по-тънките бутални пръстени, компанията разработи напълно нов, силно автоматизиран процес на леене, оптимизиран с най-съвременни симулационни технологии. Това направи възможно постигането на постоянно високо качество на отливките за бутални пръстени.
Оптимизираният процес на леене направи възможно разработването на по-усъвършенствана лята стомана GOE70 с 50% по-висока якост на опън от традиционните бутални пръстени от чугун със сферичен графит. Серийното използване на новия материал започна през 2012 г. при производството на високонатоварени двигатели, отговарящи на изискванията на Евро-6.
Говорейки за бъдещи разработки, Hoppe предполага, че триенето на буталните пръстени може да бъде намалено с още 30%, което е еквивалентно на намаление с 1,2% в BSFC (специфичен разход на гориво при тестване на спирачките) и подчертава важността на тясната работа с клиентите. „Пълният потенциал на оптимизирането на буталните пръстени може да бъде реализиран само чрез съвпадение на дизайна на буталото, пръстените, геометриятацилиндър и други параметри на цилиндровия блок“, казва Хопе.