Разработка керамических двигателей в Японии

Япония, занимающая передовые позиции в капиталистическом мире по разработке прогрессивных технологий, добилась в последние годы заметных успехов в такой перспективной области научно-технического прогресса, как получение новых материалов для двигателестроения. В частности, ей в определенной мере удалось опередить ряд ведущих капиталистических стран, таких, как США, ФРГ, Великобритания, в разработке керамических материалов для автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Достижения Японии в области промышленного применения керамики привлекли внимание во всем мире.

Керамика - изделия и материалы, получаемые спеканием глин, окислов и других неорганических соединений,- широко используется не только в быту, но и в промышленности: металлургической (огнеупоры), электротехнической (изоляторы), приборостроительной (полупроводники), медицинской (протезы) и др. Керамика успешно заменяет теперь металлы и пластмассы. Она имеет преимущество перед ними в легкости формования, прочности, высоких коррозионной и термостойкости, относительно низкой стоимости исходного материала. Сложные детали из керамики, даже из наиболее дорогостоящего керамического материала - нитрида кремния, в 2 раза и более дешевле, чем из металлического сплава. Основные недостатки керамики - хрупкость, делающая ее ненадежной под механическим напряжением, и твердость, затрудняющая ее механическую обработку. Однако развитие в последнее время в Японии метода инжекционного прессования керамических порошков под большим давлением и при высокой температуре позволяет снизить до минимума хрупкость керамических изделий, снизить или вообще устранить необходимость последующей машинной обработки, организовать массовое производство деталей сложной формы.

В автомобилестроении Японии в конструкции автомобилей и их двигателей неметаллические материалы в настоящее время применяются в относительно небольшом объеме - около седьмой части по весу. Однако эта доля постоянно растет. С 1968 по 1980 г. она возросла с 13,6 до 16,2%. При этом доля керамики увеличилась с 2,4 до 3,0%^*. Следует ожидать дальнейшего ее роста в связи с успехами Японии в технологии получения изделий из керамики.

^* ("Дзидося гидзюцу". 1980, № 8, с. 811-818.)

Керамика издавна использовалась для изготовления электроизоляторов высоковольтных электродов свечей зажигания карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, в составе других электротехнических компонентов. В последние годы, особенно в Японии, вследствие растущего применения электроники на автомобилях - в системах электронного зажигания, автоматического регулирования двигателя - расширилось и применение керамики в полупроводниковых и других элементах электронных схем. Еще больше расширилось использование керамики на автомобилях при применении систем снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Автомобилестроительные фирмы "Тоё когё", "Фудзи дзюкогё", "Ниссан дзидося" используют в этих системах каталитические нейтрализаторы с керамикой, покрытой платино-палладиевым катализатором, керамические датчики состава отработавших газов, электронные блоки управления этими системами. Однако если до сих пор керамические изделия применялись в качестве дополнительных компонентов отдельных узлов и агрегатов двигателей, то в настоящее время в Японии интенсивно ведутся исследования с целью изготовления не только отдельных деталей двигателей из керамики, но и керамических двигателей в целом. О возросшем в Японии внимании к применению керамики в двигателестроении говорит и публикация циклов статей и обзоров по этой проблеме в японских научно-технических журналах^*.

^* (См.: "Найнэн кикан". 1982, № 1-7; "Кого дзайрё". 1982, № 1, с. 25-30; "Дзидося гидзюцу". 1982, № 2, с. 114-118.)

Прогресс в данном направлении обусловлен тем, что японские инженеры разработали довольно совершенную технологию изготовления керамических деталей двигателей внутреннего сгорания на основе нитрида кремния. Министерство внешней торговли и промышленности Японии включило разработку технологии промышленного производства новой керамики в число трех наиболее актуальных научно-технических направлений, которые будут иметь преимущественную материальную поддержку в текущем десятилетии. В этот период на разработку керамических материалов предполагается затратить в Японии 60 млн. долл. Руководители исследований фирм "Нихон токусю тогё" и "Кёто сэрамикку" считают, что к 1990 г. в Японии будет освоено промышленное производство керамических деталей для двигателей и начнется серийное производство керамических дизелей.

Ведущие автомобилестроительные фирмы Японии подчеркивают перспективность идей использования керамики в производстве двигателей, причем фирма "Тоёта дзидося" уже включила работы по изучению возможностей применения керамики для производства как двигателей в целом, так и отдельных их частей в число главных направлений своих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР). Для проведения широких НИОКР по созданию серийного производства керамических деталей двигателей внутреннего сгорания сформирован исследовательский консорциум из 15 известных японских фирм - изготовителей керамических материалов^*.

^* ("Кикай гидзюцу". 1982, № 1, с. 1-3.)

Интенсификация разработок керамических двигателей в Японии обусловлена рядом причин. Важнейшая из них - это возможность удовлетворить современным требованиям к двигателям внутреннего сгорания, в частности к дизелям, применение керамики в которых наиболее перспективно. Ограниченность мировых запасов нефти, их невосполнимость, частичное ухудшение качества топлива в последнее время привели к тому, что вместо повышения мощностных показателей двигателей на первое место выдвинулись требования повышения топливной экономичности и улучшения экологических характеристик, таких, как снижение токсичности отработавших газов и уменьшение уровня шума. Для Японии с ее высоким уровнем автомобилизации, загрязнением окружающей среды отработавшими газами автомобилей и практически отсутствием собственного сырья и топливных ресурсов эти требования к двигателям внутреннего сгорания особенно актуальны. Кроме того, использование керамики в двигателестроении позволяет снизить вес и уменьшить габариты двигателей, повысить их ресурс. В опережающем развитии исследований в Японии по керамическим двигателям определенную роль сыграло и наличие собственных сырьевых природных ресурсов для изготовления керамики (глина, кварцевый песок и др.). Необходимо также учитывать, что автомобилестроение в Японии в значительной степени имеет экспортную ориентацию. Описанные же преимущества керамического двигателя открывают для японских производителей дополнительные возможности в плане укрепления конкурентоспособности их продукции на мировом автомобильном рынке, поскольку вопросы экономии топлива и снижения загрязнения окружающей среды актуальны во всем мире, а более высокая стоимость таких двигателей окупится значительной экономией топлива.

По расчетам японских специалистов, создание керамического дизеля с теплоизолированной камерой сгорания (называемого адиабатным) позволит повысить коэффициент полезного действия двигателя с 36%, характерного для современных безнаддувных дизелей, до 56% при сочетании адиабатизации с газотурбинным наддувом, использованием силовой турбины, утилизирующей избыточную энергию отработавших газов, и при снижении механических потерь на трение^*. С целью снижения трения в движущихся деталях адиабатного дизеля японские исследователи ведут разработки по замене жидкостной смазки газовой^**. Такое комплексное усовершенствование дизельного процесса позволит повысить топливную экономичность дизеля на 30%. Кроме того, ожидается снижение шумности двигателя на 1-2 дБ, уменьшение выброса вредных веществ с отработавшими газами до 6 г/кВт х ч и сокращение дымности ввиду более полного сгорания. Адиабатный двигатель имеет удельную (на единицу мощности) массу почти на 30% меньше обычного ввиду более компактного исполнения блока и головки цилиндров, отсутствия водяной рубашки системы охлаждения и, следовательно, радиатора и вентилятора. Такие двигатели могут работать не только на дизельном топливе, но и на низкооктановых бензинах и топливах широкофракционного и ухудшенного состава, т. е. являются многотопливными, поскольку высокая температура стенок камеры сгорания способствует улучшению воспламенения трудновоспламеняемых топлив.

^* ("Дзидося гидзюцу". 19812, № 2, с. 114-118.)

^** ("Найнэн кикан". 1982, № 8, с. 42-44; "Дзюнкацу цусин". 1983, № 196, с. 16-17.)

Исследования японских специалистов выявили, что наибольший интерес для двигателестроения представляют алюмосиликаты, силикат магния, титанат алюминия, нитрид кремния, сиалон и некоторые другие^*. Они показали, что более высокие физико-механические свойства имеет керамика, полученная горячим прессованием: минимальную (менее 2% и в 10 раз меньшую, чем при других методах) пористость и наибольшую плотность - около 3 г/куб. см, что в 2 с лишним раза меньше плотности металлов. Керамика имеет в 2 раза более высокую удельную (на единицу плотности) прочность, чем сталь, причем работает в диапазоне температур в 2 раза более высоких (до 1500°С). Как конструкционный материал, она по этому показателю превосходит любые другие высокотемпературные материалы (стеклопластики с такой же удельной прочностью могут применяться при температурах не выше 300°С). По мнению специалистов фирм "Нихон токусю тогё" и "Кёто сэрамикку", для обеспечения долговечности деталей из керамики размер пор в них не должен превышать 10-30 мкм, т. е. должен быть на порядок меньше, чем у металлов. Это выявить значительно труднее. Поэтому для получения высоких конструкционных свойств керамических материалов необходима разработка методов проверки надежности керамических деталей методами неразрушающего контроля, разработка которых финансируется в рамках программы по керамическим материалам министерством внешней торговли и промышленности Японии.

^* ( "Кагаку то когё". 1982, № 8, с. 559-561.)

Исследования японских специалистов показывают, что силикаты отличаются высокой пористостью и хрупкостью и могут быть использованы в агрегатах двигателей, работающих при малых нагрузках, например для изготовления моноблочных и гранулированных носителей катализатора в нейтрализаторах отработавших газов. Титанат алюминия имеет высокую термоусталостную прочность и стойкость против газовой коррозии и может использоваться в качестве термоизоляционного материала для выпускных клапанов, патрубков, трубопроводов и других деталей, соприкасающихся с высокотемпературными отработавшими газами. Фирма "Нихон токусю тогё" разрабатывает облицовку выпускного коллектора из этого материала. Керамические материалы на основе циркония по термомеханическим свойствам аналогичны титанату алюминия, но, кроме того, их коэффициент теплового расширения соизмерим с коэффициентом теплового расширения металлов, что позволяет рекомендовать цирконийсодержащую керамику в качестве теплоизоляционного материала для деталей, работающих в высокотемпературной и химически агрессивной среде двигателей внутреннего сгорания. Фирма "НТК инсулэйторс" разрабатывает и изготавливает опытные образцы деталей из этой керамики в виде теплоизолирующих проставок для деталей двигателей фирмы "Камминс энджин К°" (Соединенные Штаты), создающей дизель с адиабатическим процессом в сотрудничестве с этой японской фирмой.

Наибольшее же внимание разработчиков двигателей в Японии привлечено к нитриду кремния, который обладает повышенной сопротивляемостью механическим и тепловым воздействиям и может использоваться в теплонапряженных деталях двигателей - поршнях и других деталях цилиндропоршневой группы. Термическая стойкость нитрида кремния как конструкционного материала зависит от его микроструктуры и может быть повышена путем усовершенствования технологических методов его изготовления, в частности спеканием порошка нитрида кремния в условиях нейтральной среды и высокого удельного давления (более 20 МПа). Фирма "Нихон токусю тогё" считает, что детали сложной формы могут изготавливаться литьем под давлением с выжиганием присадок перед обжигом деталей. Этим методом в настоящее время изготавливаются роторы турбокомпрессоров для дизелей.

Упомянутые выше комплексные исследования в Японии свойств керамики, методов их контроля, технологии изготовления привели к тому, что в настоящее время керамика уже нашла, хотя и ограниченное, применение в массовом производстве автомобильных двигателей. Например, из металлокерамики на основе железа изготавливаются термостойкие и износостойкие седла клапанов^*. В научно-технической печати Японии публикация материалов о применении керамических материалов для двигателей, результатах испытаний таких материалов началась широко с 1980 г. Так, сообщалось, что фирмы "Тоёта дзидося" и "Тосиба" совместно разработали и испытали некоторые части ротора и сопла из нитрида кремния для автомобильной газовой турбины. Лопатки из этого материала, встроенные в металлический диск, выдержали частоту вращения 6000 об/мин при температуре 1150°С. Рассмотрено изготовление из нитрида кремния других деталей - поршня, гильзы цилиндра, форкамеры, лопаток турбокомпрессора, седел клапанов, вкладышей подшипников. Отмечалось, что применение керамической форкамеры позволило снизить уровень шума дизеля при пуске и малых нагрузках^**.

^* ("JSAE Review". 1981, № 6, с. 83-89.)

^** ("Когё рэа мэтару". 1980, N° 73, с. 46-50.)

Однако наибольший интерес представляют работы в Японии по созданию полностью керамического адиабатного двигателя.

В 1981-1982 гг. здесь были созданы по крайней мере три керамических двигателя тремя различными фирмами.

Так, в середине 1981 г. фирма "Комацу" опубликовала подробные данные о 1000-часовых испытаниях четырехцилиндрового керамического адиабатного дизеля с силовой турбиной и опыте его разработки^*. Двигатель имел мощность 162 л. с. при 2500 об/мин и проработал на максимальной нагрузке непрерывно 250 часов. В этом двигателе из керамики - нитрида кремния - изготовлены днище поршня, гильза цилиндра, головка цилиндра, выпускной клапан и выпускной трубопровод.

^* ("Найнэн кикан". 1981, № 5, с. 34-40; 1982, № 8, с. 53-59. )

В сентябре 1981 г. другая японская фирма, "Нихон токусю тогё", провела 50-часовые испытания одноцилиндрового двух тактного бензинового полностью керамического двигателя рабочим объемом 50 куб. см с частотой вращения 3000 об/мин. Двигатель изготовлен также из нитрида кремния методом спекания при нормальном давлении. Из металла были изготовлены только поршневые кольца и подшипники, картер - из керамики на основе окиси алюминия. В сообщении не указывается, как удалось избежать калильного зажигания в таком двигателе. Фирма также объявила о намерении изготовить двигатель объемом 100 куб. см для испытаний на мотоцикле. Видимо, в дальнейшем фирма конвертировала бензиновый керамический двигатель в дизель, так как позднее было сообщено о 100-часовых непрерывных испытаниях без нагрузки уже керамического двухтактного дизеля той же размерности^*. Целью эксперимента явилась демонстрация возможности создания керамического дизеля. Отмечается преимущество нитрида кремния перед карбидом кремния в более низкой теплопроводности и высокой стойкости в отношении теплового удара. Все детали из керамики обжигались в нейтральной среде азота или аргона. Фирма разрабатывает новую технологию газового спекания керамики.

^* ("Найнэн кикан". 1981, № 11, с. 99; "Кикай гидзюцу". 1982, № 1, с. 1-3. )

Наиболее интересной, вызвавшей сенсацию во всем мире была демонстрация легкового автомобиля фирмы "Исудзу дзидося" с трехцилиндровым почти полностью керамическим дизелем, изготовленным фирмой "Кёто сэрамикку", мощностью 55 л. с, объемом цилиндров 2,8 л, большинство деталей (цилиндры и поршни, поршневые пальцы, толкатели, коромысла толкателей и др.) которого сделано из нитрида кремния. В 1980 г. эта фирма изготовила одноцилиндровый двигатель, на базе опыта испытаний которого и был создан трехцилиндровый дизель. За основу был взят серийный двигатель воздушного охлаждения фирмы "Дойц" (ФРГ). Двигатель проработал на автомобиле несколько часов.

Разработки керамических двигателей в Японии достигли такого уровня, что японские специалисты уже занялись даже созданием японских стандартов на качество деталей из керамики для серийного производства дизелей. Этот четырехлетний проект, финансируемый министерством внешней торговли и промышленности Японии, осуществляют совместно фирмы "Исудзу дзидося" и "Кёто сэрамикку". В рамках того же проекта должен быть также создан четырехцилиндровый дизель из керамики, в основном из нитрида кремния, с расходом топлива ниже обычного на 30%.

Таким образом, Япония впервые в мире продемонстрировала опытные образцы керамических двигателей не только на испытательных стендах, но и на реальном автомобиле. Разработки адиабатных двигателей из керамических материалов ведутся не только в Японии. Однако японские специалисты смогли поставить свои научные исследования на самом современном уровне и, используя мировой опыт, сделать значительный шаг вперед в выборе керамики и технологии изготовления керамических деталей для двигателей. Значительные организационные и финансовые усилия государственных органов и частных фирм Японии по развитию этого перспективного направления двигателестроения привели к созданию демонстрационных керамических двигателей. В этом Япония значительно опередила другие капиталистические государства. И хотя по всем вышеупомянутым керамическим двигателям, разработанным в Японии, пока не проведено достаточного объема испытаний, чтобы определить их надежность, есть все основания считать, что в 90-х годах в Японии может быть создано серийное производство высокоэкономичных керамических двигателей с адиабатическим процессом.

С. К. Орджоникидзе