Юбки без задиров, днища без «прихватов»
Керамическое, антифрикционное и термоизолирующее покрытие и технология его нанесения, разработанные техностартапом «Зенторн», — решение, позволяющее сократить отставание страны в разработке двигателей, от «легковых» турбомоторов до танковых дизелей
Снисходительно улыбаетесь? Не удивлен, сам такой. За четверть века в журналистике (в основном мотоциклетной, что называется, на переднем крае моторостроения) видел с сотню разных «химиков» и их изобретений, от чудо-присадок в масло до сказочных доработок камер сгорания, всякий раз порождавших то ироничную улыбку, а то и сардонический смех. Так было и в этот раз, но перевесило любопытство — и не журналиста, а старого тюнингера двухтактных моторов: уж больно хвалились инженеры стартапа результатами экспериментов, полученными на картинговых моторах.
«Что, вот так, и без задиров на юбке? И вот вместо никасила на расточенный цилиндр можете нанести? А откуда взялась такая красота по приросту мощности? Тут со смесями и каналами упаришься колдовать, а вы какой-то керамикой…» Первый же разговор с инженерами во главе с Дмитрием Лебедевым, техническим директором компании, растянулся на полтора часа и убедил: эти парни понимают и в современных движках, и в их поршнях, и в покрытиях. Копнул поглубже.
Нет, не кулибинщина. И не изобретения «чокнутого профессора». Это технология. Апробированная не только в гонках, но и на стендовых испытаниях дизеля (6ЧН 15/16 мощностью в стандарте 540 сил, что дало прирост мощности в 21% без потери надежности). Отработанная на опытных образцах малых серий. И постепенно внедряемая в серийное производство в сотрудничестве с «ЧТЗ-Уралтрак», ОДК и КамАЗом.
Альтернатива Nikasil
Суть технологии «Керонит», разработанном «Зенторном», — в нанесении керамического покрытия плазменной электролитической обработкой (плазменным электрическим, оно же микродуговое, оксидированием). Первый, внутренний, слой, состоит в основном из алюминия и служит подложкой для внешнего, основного, состоящего из оксида алюминия (корунда), оксида кремния и оксида церия. Для улучшения каталитических свойств в отношении продуктов горения покрытие может содержать оксиды меди и магния. Получаемое покрытие является не только износостойким и термобарьерным, но и каталитически активным, что подтверждено исследованиями Томского университета.
Ноу-хау — в легирующих составах и необходимой структуре, получаемой в результате технологического процесса. Именно на это ушли годы исследований, личные средства инженеров и гранты «Сколково». Последние (несколько миллионов рублей) по меркам индустрии можно отнести скорее к микрогрантам (затраты на разработку «мобильного приложения» и технологии для машиностроения несопоставимы), тем не менее следует признать позитивную роль технокластера в эволюции компании, ставшей сколковским резидентом.
Разработанное покрытие имеет термоизолирующие свойства. Покрытие днища поршня, камеры сгорания и выпускных каналов позволяют поднять максимальную температуру процесса на 100 градусов, за счет чего увеличить КПД двигателя и обойтись менее производительной системой охлаждения. А значит — увеличить мощность при том же расходе или же не потерять ее, перейдя в угоду «евронормам» на бедные смеси (головная боль, замечу, автомобилестроителей всего мира). И в любом случае обойтись меньшими габаритами каталитических нейтрализаторов у бензиновых моторов. Проблема высоких температур и теплоотвода остро стоит и в создании ДВС, работающих на газе, — а с внедрением модных на Западе «биодобавок» на спиртовой основе предстоит столкнуться любому моторостроителю, помышляющему об экспорте.
А главное, теперь в России есть своя технология покрытий алюминиевых цилиндров и юбок поршней. В автомобильном мире большинство производителей отказались от чугунных гильз блоков, перейдя на металлокерамические покрытия (самые известные — Nicasil и Alusil), имеющие намного большую износостойкость. И только у нас продолжают гильзовать алюминиевые блоки даже на «Аурусе» (при том что изначальный проект его двигателя, разработанный Porsche Engineering, был «никасиловым»). Еще больший путь на Западе прошла эволюция поршней в автомире — сплошь алюминиевых). Сложная конфигурация, вставки из стального сплава (нирезиста), методики расчетов — все это в последние сорок лет дало рост производительности моторов без потери надежности. В нашей же стране эти технологии практически не развивались, замещаясь за счет импорта или заводов иностранных компаний (интеллектуальная собственность на их продукцию принадлежит отнюдь не нашим инженерам).
Попутно в «Зенторне» решали и другие проблемы, связанные с ДВС, например разработку композита на основе титана, легированного бором, и технологии изготовления деталей из него (например, шатунов) методом порошкового спекания. Но это скорее на перспективу и для мира высоких технологий (например, для мотоциклетных моторов топ-уровня). А вот технология для дня сегодняшнего, необходимость в которой давно назрела, — изготовление «кованых» (точнее, изотермически штампованных) поршней с жаростойкой (нирезистовой) вставкой. До них такие вставки (обеспечивающие более равномерное тепловое расширение поршней) практиковали только в литых поршнях, имеющих кардинально худшее соотношение «массажесткость». И в основном в приливах под поршневой палец — в поршнях же работы «Зенторна» из нирезиста выполнена жаровая часть с канавками под кольца. Что особенно к месту именно для моторов с керамопокрытием: если покрывать «Керонитом» не только цилиндры и юбки поршней, но и днища поршней и камеры сгорания, рост температуры вызывает повышенное расширение поршней, что предъявляет повышенные требования к сохранению формы и в «холодном», и в «горячем» виде одновременно. А благодаря сочетанию решений зазор между поршнем и цилиндром можно сократить с нынешних «рабоче-колхозных» 20 мкм до принятых у приличных западных движков 5 мкм — это и повысит эффективность двигателя, и снизит расход масла.
Успешно завершились эксперименты и с другими вариантами применения «Керонита». Например, на вкладышах коленвала для увеличения их износостойкости. И совсем к побочным с точки зрения науки — но не масштабирования технологии — можно отнести использование покрытия для корпусов приборов и других ненагруженных деталей. Испытания показали его коррозионную стойкость (до 2700 часов в соляном тумане) и твердость (если грубо, хоть ножи точи о корпус или колесо).
Кому нужен прорыв
Революция? Нет, конечно. Но потенциал для скачкообразного развития отечественного моторостроения (где мы очень сильно отстали от Запада) очень большой. И неудивительно, что его осуществили не в «профильном» институте вроде ЦИАМа или НАМИ, а на территории, свободной от корпоративных недугов.
Вот только… что дальше?
На невостребованность в «Зенторне» не могут жаловаться уже сейчас. Опытное производство загружено заказами для тех, у кого проблема ресурса мощных дизелей костью в горле — производителей техники двойного назначения. На очереди закупка оборудования для опытно-промышленного производства в «Сколкове», в том числе покрытий для прототипов других резидентов сколковского кластера.
Но это капля в море, как и эксперименты «Зенторна» для автоспорта и «прокачки» уличных машин и мотоциклов — индустрия как официальных соревнований, так и «активного отдыха по ночам» в России крошечная. Да и работа на внешние рынки сегмента Top performance parts не будет особо массовой: мэтры двигателестроения решают проблемы «антизадирности» своими методами (лучшими или худшими — другой вопрос), а для собственного производства «тюнингов» к пуговице «Зенторна» придется пришивать большое многофункциональное «пальто». (Не повезешь же поршни из Америки или Италии в Россию, а потом обратно.) Хотя «Керонит» неспроста обкатывали на картинговых моторах именно Rotax — у австро-канадской компании мощное производство ДВС и для снегоходов, и для малой авиации (включая беспилотники) — в теории они, не связанные по рукам ни санкциями, ни обязательствами перед корпорациями, вполне могут заинтересоваться. Как, в теории, не могут не заинтересоваться производители мощных и особо мощных дизелей (в том числе для судостроения), особенно быстроходных, где вопросы и повышения удельной мощности, и снижения выбросов давно стоят ребром. Но должны в теории — на практике же первичны корпоративные и ведомственные интересы. А потому — подожду с оптимизмом.
Также я преисполнен скепсиса в отношении автопрома: отечественный производитель использует поршни «мировых лидеров» с их устоявшимися технологическими цепочками и внутрикорпоративными интересами. Но скепсис не значит отрицание — более того, новая технология может, напротив, подстегнуть развитие отечественной школы моторостроения. Пока что сильно отстающей от «мирового уровня». Но, как видим, не безнадежно.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl