Автомобильная керамика

Лет двадцать назад я слышал рассказы об одном автомеханике, который любил заводить со своими клиентами спор — есть ли в Жигулях деревянные детали? И всегда спор выигрывал, ибо раньше в вазовской "классике" под оргалитом задней полки действительно были два деревянных клинышка. А вот спорить о том, есть ли в Жигулях, да и вообще в любых автомобилях с бензиновыми двигателями, керамика, бессмысленно. Конечно же, есть.

Поршни с керамическими вставками: слева — для форкамерного дизеля
с вихрекамерным смесеобразованием, справа — для дизеля с непосредственным впрыском топлива

Каждый автомобилист знает, что изоляторы для свечей зажигания испокон автомобильного века были керамическими. А кое-кто из читателей заметит, что из керамики теперь делается подавляющее большинство сот для каталитических нейтрализаторов. Но в последнее время керамика начинает внедряться и внутрь двигателя, в качестве материала для его деталей. Да и свечи зажигания приобретают новые "профессии", становясь еще и датчиками-сенсорами — тоже не без помощи керамики.

КЕРАМИКА ВМЕСТО МЕТАЛЛА

Ассортимент керамических деталей двигателя японской фирмы NGK:
клапаны, толкатели, вставки рокеров и шарики для шарикоподшипников

О возможности применения керамики в качестве материала для деталей двигателя говорили еще лет двадцать назад. Конечно, речь шла и идет не о фарфоре или фаянсе, а о специальной технической керамике, для производства которой используются высокочистые окислы, нитриды, карбиды, то есть соединения металлов (алюминия, циркония, титана) с кислородом, азотом или углеродом. Для получения таких материалов окислы или другие соединения металла измельчаются до состояния мелкой пудры, а потом спекаются при температуре около 2000оС в специальных печах.
Первоначально взоры автомобильных инженеров обратились на техническую керамику из-за ее отличной термостойкости и теплоизолирующей способности. Одно время ходили слухи, что японцы вот-вот построят так называемый адиабатный двигатель, который не нуждается в системе охлаждения. Блок цилиндров такого мотора должен был быть сделан со вставками из керамики, а образующееся при работе тепло — уноситься исключительно выхлопными газами. Были даже построены опытные образцы таких двигателей, но потом работы были прекращены. Оказалось, что адиабатный рабочий процесс не дает реальных преимуществ в топливной экономичности и экологии.

Зато огнеупорная керамика прижилась в наиболее "горячих точках" двигателей, а точнее — в поршнях высоконагруженных турбодизелей. Дело в том, что из-за высокой теплонапряженности днища и верхней части юбки поршней, например, в вихрекамерных турбодизелях, приходится применять дополнительное масляное охлаждение поршней. Как правило, для этого увеличивают производительность масляного насоса и через специальные форсунки подают струю масла на внутреннюю часть поршня. Возникают проблемы перегрева поршней и в дизелях с непосредственным впрыском. Есть ли другой выход? На помощь здесь может прийти керамика — огнеупорные вставки в днище вихрекамерного поршня или кольца на входе в камеру сгорания поршня для дизеля с прямым впрыском. Конечно, изготовить такие комбинированные поршни непросто. Ведь коэффициент термического расширения алюминиевого сплава поршня и керамической вставки неодинаков, и нужно очень точно подобрать форму и размеры вставки, чтобы возникающее при нагреве внутреннее напряжение не превысило порог эластичности конструкции.

Ротор турбокомпрессора из керамики

Каждый керамический клапан для двигателя Mercedes-Benz легче стального на 30,5 грамма

Да и технология изготовления, когда вставка помещается в форму и заливается алюминиевым сплавом, сложнее, чем обычное литье. Поршень с керамикой получается дороже, но зато можно отказаться от его масляного охлаждения. В итоге — выигрыш.
А вот еще одно весьма неожиданное применение керамики. Из нее стали делать клапаны и рабочие поверхности рычагов газораспределительного механизма! Вдобавок к отличной термостойкости керамические детали ГРМ легче стальных на 50—60%, коэффициент трения керамики о металл ниже, чем у пары "металл по металлу", а износостойкость керамического клапана в зоне контакта с седлом выше, чем даже у закаленной легированной стали. Итог? Двигатель получается легче, инерционные потери мощности на открытие-закрытие клапанов меньше, трение в направляющих втулках клапанов и на их торцах тоже уменьшается, а это вклад в копилку топливной экономичности и мощностных показателей. Пусть эффект от этого не так велик, но, например, конструкторы фирмы Mercedes-Benz сочли нужным заказать фирмам-поставщикам Bayer и NGK опытную партию керамических клапанов из нитрида кремния и сейчас запускают программу ходовых испытаний 1750 автомобилей С-класса с не совсем обычными двигателями. В 2,3-литровой "четверке" с механическим наддувом автомобиля Mercedes-Benz С230 Kompressor — 16 керамических клапанов, и каждый весит 26 граммов против 56-граммового стального. Выигрыш в массе двигателя — всего полкилограмма. Но то, что керамические клапаны, выдерживая температуру в 800оС и давление в 80 атм, открываются и закрываются до 3000 раз в минуту с меньшим моментом инерции и потерями на трение, позволяет сэкономить 250 ватт полезной мощности и 0,3—0,5 литра бензина на 100 км пробега.