Немыслимое количество лошадиных сил, которое во многих современных двигателях снимают с литра объема, естественным образом, увеличивает нагрузки на все компоненты двигателя. В т.ч. и на прокладки ГБЦ. И вот, только вчера еще ультрасовременные металлические прокладки перестают отвечать растущим требованиям. Что же мы увидим завтра? А, бог его знает! Может, очень скоро мы вообще попрощаемся с двигателями внутреннего сгорания. Может такое быть? Вроде, и непохоже пока еще на то, но стоит ли зарекаться?
Очень многие, наверное, еще помнят, как стремительно однажды вошли в нашу жизнь мобильные телефоны. Как они в течении пары лет из редких и дорогих аксессуаров, без объявления войны, превратились в предметы массового потребления и оказались в кармане буквально у каждого! Почему нечто подобное не может завтра произойти с электромобилями?
Конечно, говорят… Много чего говорят! И даже называют веские причины невозможности «электромобилизации» в обозримом будущем. Например говорят, что инфраструктуры нет. Так ведь и для мобильной связи ее не было!
Ладно, чего тут гадать? Поживем – увидим, а пока еще рулят двигатели внутреннего сгорания и их постоянно совершенствуют и появляются на свет, новые, доселе невиданные компоненты. В том числе и прокладки ГБЦ. И какие же они такие?
Прокладки с нанокомпозитными (графеновыми) покрытиями.
А что, собственно, значит этот модный термин «нано»? Вы знаете? Мы вот, например, не знали. Ну, как? Знали, разумеется, что это что-то очень маленькое, но насколько маленькое не знали! А сейчас вот, в процессе подготовки этой статьи пришлось узнать. Нано – это одна миллиардная единицы измерения (10 в минус девятой степени). Так, нанометр это одна миллиардная метра, а размеры наночастиц находятся в диапазоне от 1 до 100 нанометров т.е. строго говоря, они и не совсем «нано»😊.
Так вот, касательно прокладок ГБЦ. Очень перспективными являются фторэластомеры, которые и сами по себе обладают замечательными свойствами, а будучи обогащены графеновыми нанопластинами приобретают качества исключительные!
На всякий случай объяснимся. Фторэластомеры – группа полимеров, содержащих фтор. Они обладают очень достойными механическими и герметизирующими свойствами. Кроме того, фторэластомеры чрезвычайно устойчивы к воздействию высоких температур и агрессивных химических веществ.
Графен это модификация углерода, которая представляет собой лист толщиной в один атом, где атомы углерода расположены в вершинах шестиугольников.
Графен – материал очень интересный. Он в 100 раз прочнее стали, но в тоже время, сохраняет гибкость (до 20% растяжимости). Графен имеет еще множество интересных свойств, но для применения в прокладках ГБЦ, помимо названного, важна, пожалуй, еще только его способность не пропускать жидкости и газы, ну и высокая теплопроводность.
Так и вот, основа прокладки изготавливается из стального листа. Затем на нее наносится нанокомпозитное покрытие из фторэластомера обогащенного графеновыми нанопластинами.
Такая прокладка имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с применяемыми сегодня:
1. Лучшая герметизация. Нанокомпозитный слой отлично адаптируется к микронеровностям на плоскостях разъема блока и ГБЦ улучшая контакт и снижая вероятность утечки газов, ОЖ или моторного масла.
2. Снижение износа и трения. Графен снижает трение между прокладкой и уплотняемыми поверхностями, которое возникает в результате температурных деформаций. Это увеличивает срок службы прокладки и снижает вероятность ее повреждения при температурном расширении.
3. Устойчивость к агрессивной среде. Графен устойчив к высоким температурам (Фторэластомер обогащенный графеном выдерживает постоянную работу при температуре до +260℃ и кратковременные повышения температуры до 320℃, что на 20-30℃ выше, чем у прокладок, применяемых сегодня), маслам, топливу и коррозии. Это особенно важно для высоконагруженных двигателей, где рабочие температуры выше средних для ДВС.
4. Высокая теплопроводность. Высокая теплопроводность графена способствует равномерному распределению теплоты по всей площади прокладки, что позволяет снизить вероятность местного перегрева и разрушения материала.
5. Покрытие тонкое и легкое. Нанокомпозитное покрытие позволяет получить, перечисленные преимущества существенно не увеличивая толщину и массу прокладки и не снижая ее гибкости.
Звучит здорово! Но вот неприятность - сегодня существует несколько способов получения графена, а именно: Механическое отслаивание (метод скотча) – адгезионное отделение слоев графена от массива графита; Жидкофазное отслаивание – растворение графита в жидкости и последующее осаждение слоев графена с помощью ультразвуковой обработки; Химическое отслаивание – метод заключается в окислении графита до оксида графена с последующим восстановлением; Химическое осаждение из паровой фазы - метод CVD(описан ниже применительно к керамическим покрытиям); Эпитаксильный рост на карбиде кремния – при нагревании карбида кремния до весьма высоких температур (2000-2400℃) в вакууме или в инертной среде кремний испаряется, а остается графен.
Из перечисленного списка методов получения, понятно, что графен в производстве, пока, материал очень и очень недешевый. И сдается нам, что для прокладок ГБЦ, он ну слишком дорог! За плюс-минус те же деньги их можно позолотить и не сусальным золотом, а слоем сильно потолще! И повесить в сервисе на стенку😊.
Металлокерамические прокладки.
Это многослойные прокладки. Они изготовлены из нескольких тонких листов стали с керамическим покрытием.
Впервые керамические покрытия стали применять в авиации. Его наносят на лопатки газотурбинных двигателей. Лопатки постоянно испытывают перепады температур, подвержены эрозионному и коррозионному износу. Использование таких покрытий позволило увеличить прочность элементов и снизить температуру на их поверхности до 35% (температура газа перед турбиной может достигать +2000℃). Успешно зарекомендовав себя в авиации, эта технология пришла и в другие отросли, так уже сегодня в высоконагруженных двигателях, выпускаемых серийно, керамические покрытия наносят на днища поршней.
Будущее использование металлокерамических прокладок обещает хорошие результаты. В настоящее время производители экспериментируют со следующими видами покрытий:
· Диоксид циркония (ZrO2) – Высокая температура плавления 2700℃
· Глинозем (Al2O3) - Тепловая изоляция, износостойкость
· Диоксид титана (TiO2) – Устойчив к коррозии и агрессивным средам
· Кремнезем (SiO2) – Используется в составе многослойных покрытий
· Композиты (например ZrO2+Y2O3) – Повышенная прочность и термоустойчивость
Покрытие наносится на стальной лист, например, с помощью газо-плазменного напыления и образует достаточно тонкий слой (порядка 20-30 мкм). Этот слой создает хорошую тепловую защиту т.к. керамика отлично отражает и изолирует тепло. Такая прокладка может выдерживать температуры до 1000℃ (что, кажется, совершенно избыточно для ДВС!), а также защищает металл под покрытием от окисления. Хорошо герметизирует горячие газы, моторное масло и ОЖ, повышает устойчивость прокладки к трению и износу при термодеформациях. Покрытие может быть нанесено, как на всю поверхность листа, так и, например, только вокруг отверстий цилиндров.
Это были плюсы. Теперь о минусах.
Минусами металлокерамических прокладок являются: Хрупкость (керамика плохо переносит изгибы и удары), сложность производства.
В чем сложность? В газо-плазменном напылении. Дело в том, что технология эта основана на подаче порошка соответствующего вещества в струю кислородно-ацетиленовой горелки. В этой струе, при температуре 10000-15000℃ порошок плавится и наносится на обрабатываемую поверхность подобно спрею. Вроде, абсолютно ничего волшебного? Да, но поверхность, наша с вами, это тонкий лист стали (0,2-0,3 мм), а температура плавления стали зависит от марки, но в среднем 1300-1500℃ и надо нам нашим напылением не прожечь этот тонкий лист, а еще не дать ему покоробиться, ибо выпрямить его потом не выйдет из-за хрупкости керамического покрытия. Кроме того, при остывании между упругой сталью и хрупкой керамикой возникают термические напряжения, что чревато образованием микротрещин в покрытии и даже его остлаиванием. И еще. Коэффициент температурного расширения стали и керамики не одинаков, а в некоторых случаях отличается очень значительно и это тоже может приводить к отслаиванию.
Поэтому стальной лист в процессе напыления необходимо охлаждать и точно выдерживать температуру плазменной струи. А еще надо точно выдерживать расстояние от сопла до листа. А еще скорость подачи порошка и скорость движения сопла относительно листа (это что бы покрытие получалось строго определенной толщины)…, короче, много всего надо выдерживать и выдерживать весьма точно.
Существуют другие технологии нанесения керамических покрытий, такие как Sol-Gel; PVD/CVD.
Sol-Gel – на поверхность нашего листа наносится золь (суть, коллоидный раствор нужного вещества) затем сушится и спекается. Считается, что это менее термически агрессивный процесс. Очень хорошо! Но при какой температуре происходит спекание? А при очень высокой! Например, полное спекание чистого порошка ZrO2 происходит при температуре 1600-1700℃. Час от часу не легче! Но все еще зависит от фракции. Если наш порошок будет состоять из наночастиц, да еще сдобрен специальными добавками, то температура спекания снизится до 1400-1600℃.
OK Google!
Ну, а PVD/CVD?
PVD (Physical Vapor Deposition) – физическое осаждение из паровой фазы. Что происходит? Твердый материал превращается в пар вакуумным испарением или распылением, а затем конденсируется на поверхности изделия (в нашем случае, стального листа). Существует три варианта этого процесса:
· Ионно-плазменное напыление. Ионы выбивают атомы с мишени (нашей керамики), а затем, они, атомы, осаждаются на подложке (на стальном листе).
· Вакуумное испарение. Материал испаряется при высокой температуре или с помощью лазера. Затем, осаждается на стальном листе.
· Катодно-дуговое испарение. Испарение материала происходит при помощи электрической дуги.
Температура процесса будет сильно ниже, чем при плазменном напылении. Всего 100-500℃. Однако все это должно происходить в высоком вакууме и даже «на вскидку» выглядит сильно сложнее газовой горелки с порошком.
CVD (Chemical Vapor Deposition) – химическое осаждение из паровой фазы. Что здесь? А здесь химический, как ясно из названия, процесс при котором газообразные прекурсоры вступают в химическую реакцию на горячей поверхности изделия и образуют покрытие. Тут есть четыре варианта:
· Термальный CVD – нагрев подложки (в нашем случае стального листа) до 400-1100℃ для возникновения реакции.
· Плазменный CVD – для активации реакции использует плазму (t 100-400℃).
· ALD (Atomic Layer Deposition) – послойное осаждение атомов. Суть в том, что покрытие создается слоями толщиной в 1 атом. Для этого газы подаются в строго дозированных количествах необходимых и достаточных для образования одного слоя. После каждого цикла камера продувается инертным газом. Сверхпрецизионная операция!
· Metal-Organic CVD (MOCVD) – тут в качестве одного прекурсора используется летучее металл-органическое соединение, а в качестве второго химически активный газ (кислород, аммиак и т.п.) или сразу несколько газов. Реакция запускается на поверхности изделия, разогретой до 300-800℃. Продуктом реакции является керамическое покрытие и… токсичный газ.
Очевидно, что в плане температуры, PVD/CVD методы куда лучше газо-плазменного напыления, но насколько сложнее! И опять – классные прокладки, но, пока, золотые!
Аморфные металлы (металлические стекла).
Аморфные металлы или сплавы (иначе металлические стекла), это металлы, структура которых не имеет кристаллической решетки. Атомы в них расположены хаотично, как в стекле. Многие аморфные сплавы имеют очень интересные свойства, которые, как считают, будут весьма полезны при производстве перспективных прокладок ГБЦ:
Очень высокая прочность – устойчивость к механическим нагрузкам и давлению
Упругость выше, чем у стали – лучше компенсирует термические деформации
Отсутствие границ между зернами (зерен нет) – нет точек для начала коррозии и усталости
Гладкая «атомная» поверхность – отличная герметизация
Высокая твердость и износостойкость – устойчивость к микроперетиранию
Высокая коррозионная стойкость – устойчивы при контакте с газами, ОЖ и маслами
Температурная устойчивость – многие аморфные металлы стабильны при температуре 500-600℃
В тоже время, аморфные сплавы хрупки, а значит, такие прокладки будет сложнее перевозить и монтировать.
Основной метод, с помощью которого сегодня получают металлические стекла это закалка из жидкого состояния. Суть метода проста – расплав металла охлаждается сверхбыстро и переходит в твердое состояние избежав кристаллизации. Структура металла остается практически такой же, как в жидком состоянии. Существует несколько технологий, которые позволяют получать аморфные металлы в формах порошка, тонкой проволоки, тонкой ленты, небольших пластинок. Заметим, что все это имеет небольшие размеры и не совсем подходит для производства прокладок. Тем не менее из аморфных сплавов можно создавать окантовки вокруг цилиндров и отверстий для масла и ОЖ, что дает отличную герметизацию в сочетании с устойчивостью к коррозии и износу. Также PVD методом можно напылять аморфные металлы на поверхности листов многослойных металлических прокладок для увеличения износостойкости и микроплотности.
Вот такие замечательные перспективы открывают нам металлические стекла. Однако, сегодня применение этих материалов ограничено из-за сложности производства, а значит и цены.
«Умные» прокладки.
Над такими прокладками сегодня серьезно работают крупные производители, такие, как Federal‑Mogul/Tenneco, Elring Klinger, Dana, Nippon etc. Так в 2023 году Federal‑Mogul представил прототип, который снизил стоимость диагностики двигателя на 12 %; ElringKlinger расширил выпуск MLS‑прокладок с улучшенным покрытием и добавленной электроникой.
Что делает обыкновенную прокладку «умной»? «Умная» прокладка, это, по сути, таже самая традиционная прокладка, в которую встроены сенсоры и проводящие элементы. Они могут отслеживать:
Температуру – Постоянно измеряет температуру и регистрирует перегрев в области между блоком и ГБЦ
Давление – Мониторит давление в системе охлаждения и камере сгорания
Утечки – Выявляет появление микроутечек до того, как они перерастут в серьезную неисправность.
Деформации – Контролирует механические сдвиги и искривления возникающие из-за колебаний температуры.
Встроенные термоэлементы, пьезоэлементы, оптоволоконные или микроэлектромеханические сенсоры собирают информацию и передают ее в блок управления двигателем или в телематическую систему. Если параметры выходят за пределы нормы — система может выдать предупреждение водителю или инженерам при удаленной диагностике.
Что-то похожее, видимо, используется в настоящее время в гонках формулы один. Понятное дело, подробностей никто не сообщит😊.
Очевидными плюсами «умных» прокладок является ранняя диагностика, а в совокупности с телематической системой и возможность выполнить ее удаленно. Это безусловно сильно уменьшит количество неприятных сюрпризов и в целом повысит надежность двигателей.
В тоже время, автомобили, оснащенные такими прокладками и сопутствующими системами конечно по началу будут стоить несколько дороже «обыкновенных». Да и сами «умные» прокладки тоже дешевле «неумных» явно не будут.
3D печать в производстве прокладок ГБЦ.
Эта технология позволяет, во-первых, создавать прокладки любых, даже весьма сложных форм, а во-вторых (и это главное), сочетать металлические сплавы и фторопласты, создавая гибридные структуры с переменным профилем жесткости, что обещает очень точную посадку и великолепную герметизацию.
Можно еще много разного рассказать про предполагаемое будущее прокладок ГБЦ и все это будет интересно, тем немногим, кому интересны подобные вещи. Это и экологичные био-композиты снижающие трение аж на 14% с возможностью вторичной переработки (разработка Dana), и комбинированные нано керамические и углеродные нано фибры, и… наверное надо остановиться! Дальше уже будет явный перебор!
Наверное, и то, что уже получилось – неформат для нашего канала. Ну, ничего. Мы уверены, что на всякий текст найдется свой читатель!
И невозможно в конце удержаться и не вставить свои ретроградные 5 копеек! Возникает вопрос… Если двигатели делаются из расчета на 200-300 тысяч км пробега, то за каким, вот этот весь огород городить? Вроде и привычные нам прокладки отлично справляются… Или планируется и дальше увеличивать мощность с единицы объема? Но если так, то одними прокладками тут явно не обойтись! (А производители, такие: Дык, конечно не прокладками едиными! Размечтались!).
Поймите нас правильно. Мы ни разу не считаем себя грамотнее и умнее, чем инженеры какого-нибудь VW! Куда, там?! Они построили массу отличных и просто хороших двигателей, а мы ни одного. Другой вопрос какие тем инженерам поставлены задачи? И точно ли эти задачи совпадают с интересами потребителей? 😊
И… вот еще что! Пока не стоит пытаться искать прокладки, сделанные с помощью вышеперечисленных технологий в каталоге UMparts.ru. Мы еще так не умеем, но мы будем учиться и обязательно научимся, если такие изделия, однажды, станут востребованными на рынке!