Механизм прогара поршня, выполненного из высококремниевого алюминиевого сплава, для двигателей внутреннего сгорания

Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения надежности и долговечности поршней двигателей внутреннего сгорания, работающих в экстремальных условиях высоких температур, давлений и механических нагрузок. Прогар поршня — одна из самых существенных проблем, приводящих к снижению эффективности двигателя и дорогостоящему ремонту. Исследован механизм прогара поршней, изготовленных из высококремниемого алюминиевого сплава М244 (по классификации фирмы Mahle), применяемых в двухтактных двигателях внутреннего сгорания. Сочетание металлографического анализа и 3D-моделирования позволило установить взаимосвязь между температурным полем в головке поршня и формированием пористой структуры, приводящей к разрушению материала. Установлено, что прогар обусловлен зарождением и ростом пор преимущественно в приповерхностной зоне головки поршня. Показано, что пористость зависит от температуры и описывается линейной функцией. Выявлена корреляция между размерами пор и кремниевых включений, что позволяет предположить, что образование пор связано с термомеханическим воздействием на границы раздела фаза/включение. Разработана модель прогара, учитывающая тепловое и структурное состояние материала, что представляет практический интерес для повышения термической устойчивости поршней и предотвращения их разрушения при эксплуатации.
EDN: TWEULP, https://elibrary/tweulp

Литература

[1] Витковский С.Л. Разрушение элементов поршня ДВС. Труды Братского государственного университета. Сер. Естественные и инженерные науки, 2014, т. 1, с. 163–167.

[2] Белов В.П., Апелинский Д.В., Беженарь В.Н. Экспериментальная оценка температурного состояния поршней тракторных дизелей. Тракторы и сельхозмашины, 2022, т. 89, № 2, с. 111–120, doi: https://doi.org/10.17816/0321-4443-105717

[3] Никитин И.В. К вопросу оценки летной годности двигателей сверхлегких воздушных судов. Научный вестник МГТУ ГА, 2005, № 85, с. 143–150.

[4] Дударева Н.Ю., Кишалов А.Е., Кальщиков Р.В. и др. Разработка методики моделирования теплового состояния поршней двигателей внутреннего сгорания. Вестник УГАТУ, 2019, № 3, с. 46–54.

[5] Петров В.И., Смирнов А.Г. Особенности тепловых процессов при прогаре поршня двигателя внутреннего сгорания. Энергетика и теплотехника, 2011, № 3, с. 28–33.

[6] Воробьев В.Ю. Исследование прогара поршня в дизельном двигателе. Двигатели внутреннего сгорания, 2013, № 2, с. 53–58.

[7] Козлов Д.М., Петров Н.И. Влияние прогара поршня на эксплуатационные характеристики дизельного двигателя. Двигатели внутреннего сгорания, 2015, № 4, с. 22–27.

[8] Мацулевич М.А., Ломакина Н.М., Ломакин Г.В. Оценка тепломеханической нагруженности поршня бензинового двигателя при форсировании газотурбинным наддувом. Транспорт Урала, 2015, № 4, с. 78–80, doi: https://doi.org/10.20291/1815-9400-2015-4-78-80

[9] Макаров А.Р., Смирнов С.В., Осокин С.В. и др. Конструкционные материалы для поршней ДВС. Известия МГТУ МАМИ, 2013, т. 1, № 1, с. 118–122.

[10] Заренбин В.Г., Чайнов Н.Д., Руссинковский С.Ю. и др. Моделирование теплового состояния и расчет на заедание пар трения базовых теплонапряженных деталей поршневых двигателей. Москва, Инфра-М, 2024. 202 с.

[11] Казанцев И.А., Бычков В.И., Казанцев А.И. Влияние теплофизических свойств поршней на эксплуатационные характеристики двигателей внутреннего сгорания. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион, 2018, № 2, с. 107–118, doi: https://doi.org/10.21685/2072-3059-2018-2-10

[12] Мукасеев А.В. Повышение эффективности судовых дизелей применением комбинированного метода восстановления поршней из алюминиевых сплавов. Дисс. ... канд. тех. наук. Новосибирск, 2004. 108 с.

[13] Аль-Бдейри М.Х., Красильников В.В., Сергеев С.В. Модифицированный квазистационарный метод изучения изменения температур перехода поршней дизельного двигателя, покрытых теплозащитными материалами. Вестник Иркутского государственного технического университета, 2020, т. 24, № 5, с. 954–965, doi: https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-5-954-965

[14] Дударева Н.Ю., Кальщиков Р.В., Домбровский О.П. и др. Экспериментальное исследование теплового состояния днища поршня ДВС с теплозащитным слоем, сформированным методом микродугового оксидирования. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015, № 5. EDN: UBXQRR

[15] Собачкин А.В., Логинова М.В., Яковлев В.И. и др. Исследование жаростойкости покрытия Ti-Al-Nb на модельных образцах поршневого алюминиевого сплава. Ползуновский вестник, 2020, № 3, с. 88–92, doi: https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2020.03.016

[16] Валеев Р.С., Еникеев Р.Д., Сакулин Р.Ю. Повышение стойкости поршней двухтактных ДВС к прогару посредством нанесения МДО-покрытий. Двигателестроение, 2020, т. 280, № 2, с. 30–34.

[17] Снегоход RM Vector 551i. go-rm.ru: веб-сайт. URL: https://go-rm.ru/rm_vector_551i_data.html (дата обращения: 22.07.2025).

[18] Растровый электронный микроскоп JSM-6490LV. uust.ru: веб-сайт. URL: https://uust.ru/eik/units/jsm-6490lv/ (дата обращения: 22.07.2025).

[19] Зильберглейт М.А., Темрук В.И. Применение пакета ImageJ для обработки изображений, полученных электронной сканирующей микроскопией (на примере анализа бумаги). Полимерные материалы и технологии, 2017, т. 3, № 1, с. 71–74, doi: https://pmt.mpri.org.by/wp-content/uploads/2024/07/zilbergleit.pdf

[20] Дударева Н.Ю., Загайко С.А. Самоучитель SolidWorks 2010. Санкт-Петербург, БХВ-Петербург, 2011. 416 с.

[21] Pistons and engine testing. Springer, 2016. 295 p.

[22] Дударева Н.Ю., Коломейченко А.В., Кисель Ю.Е. Эффективность тепловой защиты поршней ДВС покрытием, сформированным микродуговым оксидированием. Тракторы и сельхозмашины, 2024, т. 91, № 1, с. 101–112, doi: https://doi.org/10.17816/0321-4443-586629

[23] Аптуков В.Н., Ильющенко П.Н., Фонарев А.В. Моделирование трещинообразования в материалах под действием взрывных нагрузок. Вычислительная механика сплошных сред, 2010, т. 3, № 1, с. 5–12.

[24] Бугаро Н.Г. Моделирование разрушения упругопластических тел. Вычислительная механика сплошных сред, 2008, т. 1, № 4, с. 5–20.