Эффективность тепловой защиты поршней ДВС покрытием, сформированным микродуговым оксидированием

Обоснование. Для защиты поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) от прогара и повышения их долговечности целесообразно использовать керамические покрытия, формируемые на днище поршня микродуговым оксидированием (МДО). Исследованию эффективности такого покрытия посвящено много работ. Однако, большинство подобных исследований проведены на лабораторных установках, имитирующих работу двигателя, и обычно не учитывают реальные теплофизические параметры МДО-покрытия. Поэтому оценить эффективность тепловой защиты такого покрытия довольно сложно.

Цель работы — исследование методом численного моделирования эффективности тепловой защиты поршней посредством керамического покрытия, формируемого методом микродугового оксидирования на поверхности днища поршня.

Методы. Исследование проводилось в программе SolidWorks Simulation. В качестве материала поршня использовались два поршневых алюминиевых сплава: АК12д (с содержанием кремния 12%) и АК4-1 (c содержанием кремния 0,35%). К поверхностям образцового поршня прикладывались температурные нагрузки, соответствующие работе реального двигателя. На первом этапе моделировалось тепловое состояние поршней из разных сплавов без МДО-покрытия. На втором и третьем этапах исследовалось влияние толщины керамического покрытия, сформированного на днище поршня, на его тепловое состояние. На втором этапе материалом поршня являлся сплав АК4-1, а на третьем этапе — сплав АК12д. В качестве материала покрытия использовалась керамика, свойства которой соответствовали свойствам покрытий, формируемых методом микродугового оксидирования на рассматриваемых сплавах. Толщина покрытия изменялась с шагом 100 мкм в диапазоне от 50 до 350 мкм. Температура определялась методом зондирования в различных областях поршня: на поверхности днища на МДО-покрытии и под ним, в области поршневых канавок, на юбке поршня и на поверхности днища поршня со стороны картера.

Результаты. Моделированием установлено:

1. Покрытие днища поршня микродуговым оксидированием снижает тепловую напряженность поршня не зависимо от химического состава алюминиевого сплава.
2. Эффективность теплозащиты поршня повышается при увеличении толщины керамического покрытия и при уменьшении его коэффициента теплопроводности.
3. Наибольший теплозащитный эффект достигается у поршня из эвтектического сплава АД12д.

Заключение. Установлено, что МДО-покрытие на днище поршня является эффективным способом снижения тепловой напряжённости поршней ДВС. Повышение толщины керамического покрытия и снижение его коэффициента теплопроводности ведет к увеличению эффективности тепловой защиты поршней. Снижение коэффициента теплопроводности МДО-покрытия и увеличение его толщины также приводит к росту температуры на поверхности керамического покрытия, нанесенного на днище поршня.