Эксплуатационные характеристики автомобильных двигателей можно было бы существенно улучшить, если бы удалось изготовлять их наиболее ответственные узлы из керамических материалов.
Керамические детали способны выдерживать намного более высокие температуры, нежели стальные, а ведь известно, что с повышением рабочей температуры не только возрастает к. п. д. двигателя, но и снижается количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу.
Керамические материалы превосходят сталь и по таким показателям, как износостойкость и коррозионная стойкость, а это означает, что и долговечность двигателей, изготовленных с применением керамических узлов и деталей, должна увеличиться.
Потенциальные возможности применения керамических деталей были по достоинству оценены уже много лет назад.
Однако для реализации новых идей практически ничего не было сделано, поскольку технология изготовления стальных двигателей была хорошо отработана, а почти неограниченное количество дешевого топлива экономически никак не стимулировало создание более эффективных двигателей.
Теперь же, когда топливо подорожало и на повестке дня стоит вопрос об использовании его нетрадиционных видов, более агрессивных, нежели бензин, разработка керамических деталей для автомобильных двигателей идет полным ходом.
Состояние этой проблемы освещается на страницах журла "Mechanical Engineering", издаваемого Американским обществом инженеров-механиков.
В обычном автомобильном двигателе керамика подошла бы в первую очередь для изготовления клапанов, клапанной плиты (сильно разогревающегося листа металла, через который клапаны входят в двигатель), головок поршней, гильз цилиндров и вкладышей выхлопных патрубков.
Некоторые из этих деталей (а то и все), возможно, вскоре появятся на автомобильном рынке США в результате разработки «адиабатического» двигателя, т. е. двигателя, работающего при почти постоянной температуре.
Этот двигатель характеризуется, в частности, незначительным тепловым выбросом в атмосферу и малой теплоотдачей охлаждающей жидкости.
Конечной целью является создание двигателя с минимальным охлаждением.
Для такого двигателя как нельзя более кстати пришлись бы узлы и детали, выполненные из керамических материалов, обладающих способностью аккумулировать тепло и надежно работать при высоких температурах.
Несколько дальше продвинулись работы по созданию керамических деталей для турбонагнетателей, и в частности роторов турбин. Плотность керамического ротора приблизительно втрое меньше плотности стального, а благодаря низкому коэффициенту теплового расширения он может работать при меньших зазорах и большем к. п. д.
Керамические детали начинают появляться в турбонагнетателях двигателей большегрузных самосвалов, судовых и стационарных промышленных силовых установок, а совсем недавно и в автомобильных двигателях.
На автомобильном рынке Японии уже предлагаются керамические роторы для турбонагнетателей, а также целый ряд мелких деталей и узлов для дизельных двигателей (запальных свеч, форкамер, куда перед сжиганием впрыскивается топливо, и т. д.).
Большой эффект дало бы также использование керамических деталей в сильно разогревающихся узлах новейшего газотурбинного двигателя, разрабатываемого в настоящее время в США.
Важнейшим элементом этого двигателя является рабочее колесо турбины, для изготовления которого исследователям предстоит выбрать наилучший из потенциально пригодных керамических материалов — карборунда, нитрида кремния, литий алюмосиликата, алюмосиликата, магний алюмосиликата и двуокиси циркония.
Все детали изготовляются из порошкообразного материала методом формования под давлением взвеси порошка в жидкости или методом спекания.
Однако предстоит решить еще целый ряд проблем, прежде чем керамические детали получат сколько-нибудь широкое распространение.
Прежде всего, керамические материалы отличаются повышенной хрупкостью и поэтому легко разрушаются.
Кроме того, они дороже стальных; это объясняется главным образом тем, что фирмы, занимающиеся производством керамических материалов;
- во-первых, практически не имеют опыта изготовления деталей, отвечающих столь жестким эксплуатационным требованиям;
- во- вторых, почти никогда не сталкивались с необходимостью выпуска продукции в количествах, требуемых для удовлетворения потребностей автомобильной промышленности.
Еще одним серьезным препятствием является смазывание подвижных контактирующих друг с другом керамических и не керамических деталей. На решение всех этих проблем и направлены исследования, которые проводятся в настоящее время.