Керамика для двигателей внутреннего сгорания и газотурбин

По объему возможного производства и сбыта, экономическим и экологическим показателям применение керамики в двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных двигателях представляет собой наиболее перспективное направление современного и будущего машиностроения.

Перспективность изготовления отдельных узлов, а в дальнейшем и полностью двигателей из керамических материалов определяется комплексом таких их свойств, как высокие значения температур плавления и размягчения под нагрузкой, стойкость к воздействию абразивных и агрессивных сред при низких и высоких температурах, а также величины теплопроводности и плотности по сравнению с лучшими металлическими сплавами. Так, по данным фирмы «Дженерал Моторе» (General Motors, США) применение керамики в газотурбинном двигателе мощностью 300 — 400 л.с. дает экономию 68 кг высоколегированных сплавов, а в двигателе широкофюзеляжного самолета — от 1 до 2 т кобальта, хрома, вольфрама и других дефицитных металлов. При этом снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения, а тепловой КПД возрастает за счет значительного (до 2000 К) повышения рабочей температуры. Применение керамических материалов в поршневых двигателях приводит к увеличению их экономичности за счет уменьшения теплоотдачи в окружающую среду и использования горячих выпускных газов в системе турбонаддува и силовой турбине.

В настоящее время имеются реальные обнадеживающие практические результаты и технический интерес к керамическим материалам для поршневых двигателей. Особенное внимание уделяется этой проблеме в Японии, где наряду с опытным производством некоторых керамических деталей для поршневых двигателей существует и промышленное производство для гражданской техники (табл. 7.15).

Керамические детали для двигателей, применяемые в японских фирмах.

На рис. 7.8 представлены некоторые керамические детали, выпускаемые преимущественно в опытном и частично в серийном производстве. Компания «Каммин Енджин» (Cummin Engine, США) разработала один из вариантов теплоизолированного двигателя с плазменно-дуговыми покрытиями из диоксида циркония,.

нанесенными на огневую поверхность днища поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, огневую поверхность головки цилиндра, впускные и выпускные каналы.

Рис. 7.8. Основные керамические детали ГТД: а — камера сгорания из SiC (фирмы «MTU», Фольксваген, Volksvagen); б — цельнокерамические роторы фирмы «АСЕА» («Asea»); в — статор из осевой турбины ГТД (фирма «MTU»).

На рис. 7.9 показана схема адиабатического дизельного двигателя военного грузовика с керамическими теплоизоляционными и износоустойчивыми покрытиями толщиной 0,75 мм, полученными путем плазменного напыления подслоя NiCr_xAl_y, на который наносится шликер частично стабилизированного диоксида циркония с последующим спеканием.

Рис. 7.9. Схема адиабатического дизеля для военных грузовиков США, разработанного фирмой Камминс (Cummins): 1 — инжектор; 2 — клапан;

• 3 — направляющая клапана; 4 — седло клапана;
• 5 — керамическое теплоизоляционное покрытие; 6 — керамическое износостойкое покрытие; 7 — поршневые кольца; 8 — поршень; 9 — гильза цилиндра

Фирма «Инсератек» (Enceratec, США) установила, что использование керамических инжекторов в дизельных двигателях позволяет в три-пять раз уменьшать их износ. Фирмой «Энджикей» (NGK, США) разработана технология керамических толкателей клапанов, полученных спеканием Si3N₄ с добавками MgO, СеСЬ, прочность которых достигает 760 МПа при изгибе.

Такие толкатели отличались тридцатикратным увеличением стойкости к износу и трехкратным уменьшением массы по сравнению с традиционными толкателями. Значительный эффект достигается установкой в дизелях газовой турбины, использующей тепло отходящих газов, и керамических регенераторов тепла из алюмосиликата лития в виде ячеистых теплообменников с плотностью ячеек до 2 -10⁶ м*².

Для топливной экономичности газотурбинных двигателей (ГТД) производят утилизацию тепла, содержащегося в газовом потоке после «срабатывания» его на роторе последней ступени двигателя. Для автомобильных ГТД используют теплообменники-регенераторы вращающегося типа (скорость вращения примерно 20 об/мин). Горячие выходные газы проходят через одну половину вращающегося теплообменника и нагревают ее керамический сердечник. Когда эта горячая часть входит в канал холодного воздуха, происходит повышение его температуры. Каналы холодного воздуха и выходных горячих газов у тепообменника отделены друг от друга перегородками. Учитывая большие термические напряжения в материале теплообменника и необходимость химической устойчивости в условиях эксплуатации (когда в топливе есть примесь серы и попадающие в воздухозаборник соли натрия, например), наибольшее применение для изготовления теплообменников получила техническая керамика на основе систем АЬОз — Si0₂, Li₂0 -А1₂0з — Si0₂, MgOn А1₂0з — Si0₂. Испытания показали, что вращающийся теплообменник из алюмосиликатной керамики имел работоспособность при температуре выходных газов 1070 К в течение 10 000 часов, а при 1370 К — 30 000 часов. В последнее время проводятся работы разными фирмами по применению иитридкремииевой керамики для производства керамических регенераторов.

Состояние с освоением керамических деталей для поршневых двигателей в Японии. Следует подчеркнуть, что, несмотря на известные достижения в области развития экспериментальных работ по созданию новых керамических материалов для машиностроения, широкое использование керамических деталей в двигателях остается пока еще задачей, находящейся в стадии решения. В этой связи целесообразно привести мнение ведущих фирмпроизводителей о состоянии работ в области перспективного использования технической керамики в двигателях. Опрос представителей таких авторитетных зарубежных фирм, как «Фольксваген», «Кольбеншмидт», «Даймлер» «Порше», «БМВ», и «Ауди», показал, что ни одна из фирм не отрицает необходимости продолжения работ по созданию керамических двигателей, так как тепловое сопротивление, низкая плотность, высокотемпературная прочность керамики обусловливает уверенность в том, что керамический двигатель может быть в несколько раз более экономичным и долговечным по сравнению с существующими двигателями. Поэтому работы в направлении постепенного оснащения двигателей керамическими деталями должны продолжаться в направлении изготовления клапанных блоков, роторов турбин, камер сгорания, свечных контактов, облицовки верхней поверхности поршней, высокотемпературных газопроводов и элементов фрикционных передач.