Внедрение результатов керамического покрытия на поршнях на судах речного флота может повысить ресурс главных двигателей. Особенно заметный эффект может быть получен на теплоходах, эксплуатирующихся на малых реках, где перегрузки главных дизелей происходят особенно часто.

      Кроме того, применение выбранного метода теплозащиты  поршней улучшает экологические  показатели двигателей (снижает выброс оксидов азота). Характерной эксплуатационной особенностью дизелей, установленных на судах речного флота, является необходимость их частой форсировки по отношению к номиналу. Это вызвано условиями судовождения (преодоление судном или караваном судов перекатов, быстрин, крутых поворотов реки и т.д.). Данная особенность наиболее ярко проявляется при работе теплоходов на малых реках.

      Форсировка  двигателей приводит к росту теплонапряженности поршневых групп двигателей, что, в свою очередь, существенно снижает ресурс их работы. Возникает задача: найти и испытать метод защиты поршней от перегрева. Для покрытии поршня можно выбрать материал (диоксид циркония, стабилизированный окисью иттрия) и предложена технология плазменного напыления двухслойного теплозащитного покрытия на донышко поршня: металлического подслоя - с помощью турбулентной струи, и основного керамического слоя - с использованием ламинарной струи. Экспериментально установлено, что механическая активация порошка промежуточного слоя приводит к заметному повышению адгезионной прочности плазменного покрытия.

      Таким образом, температурные поля в теле поршней, как с теплозащитным покрытием, так и без него. Установлено, что теплозащита поршня существенно снижает

теплопередачу в него и, следовательно, увеличивает  ресурс его работы.

      Посредством теплового расчета установлено, что теплозащита поршня оказывает  существенное влияние на параметры рабочего процесса двигателя.  Так, при этом сокращаются период задержки воспламенения и расход топлива; возрастают давление и температура рабочего тела.

      Несмотря  на повышение температуры рабочего тела, при использовании теплозащитного покрытия поршня, увеличения выбросов оксидов азота не происходит. Это можно объяснить каталитическим воздействием диоксида циркония на реакцию восстановления оксидов азота.

      Поршневые ДВС относятся к роду тепловых двигателей, в которых химическая энергия топлива преобразуется в тепловую непосредственно внутри рабочего цилиндра. ДВС, работающие с самовоспламенением топлива в цилиндре, принято называть дизелями по имени изобретателя двигателя такого типа – Рудольфа Дизеля.

      Благодаря значительному перепаду температур при осуществлении цикла (от 300–320 К до 1800–2000 К), дизели являются в данное время наиболее экономичными тепловыми двигателями. Вместе с тем,  несмотря на высокие температуры цикла, двигатели этого типа могут работать надежно, так как действие высоких температур является периодическим и после сгорания топлива, расширения газов и их выпуска в цилиндр поступает свежий воздух, а стенки цилиндра охлаждаются водой или воздухом.

      Дизели, применяемые на судах, работают на дизельном и моторном топливах, а также (после специальной подготовки топлива) на мазутах.

      Принципиальная схема любого классического двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что в цилиндре двигателя находится поршень, который совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра.

           4. Инновации

      В последнее время все большее  применение получают поршневые двигатели  с принудительным наполнением цилиндра воздухом повышенного давления, т.е. двигатели с наддувом. И перспективы двигателестроения связаны, на мой взгляд, с двигателями данного типа, т.к. здесь имеется огромный резерв неиспользованных конструкторских возможностей, и есть над чем подумать, а во-вторых, считаю, что большие перспективы в будущем именно у этих двигателей. Ведь наддув позволяет увеличить заряд цилиндра воздухом и, следовательно, количество сжимаемого топлива, а тем самым повысить мощность двигателя.

      Для привода нагнетателя в современных  двигателях обычно используют энергию отработавших газов. В этом случае отработавшие в цилиндре газы, которые имеют в выпускном коллекторе повышенное давление, направляют в газовую турбину, приводящую во вращение компрессор.

      Согласно  схеме газотурбинного наддува четырехтактного  двигателя, отработавшие газы из цилиндров двигателя поступают в газовую турбину, после которой отводятся в атмосферу. Центробежный компрессор, вращаемый турбиной, засасывает воздух из атмосферы и нагнетает его под давлением 0.130...0.250 МПа в цилиндры. Помимо использования энергии выхлопных газов достоинством такой системы наддува перед приводом компрессора от коленчатого вала является саморегулирование, заключающееся в том, что с увеличением мощности двигателя соответственно возрастают давление и температура отработавших газов, а следовательно мощность турбокомпрессора.

      При этом возрастают давление и количество подаваемого им воздуха.

В двухтактных  двигателях турбокомпрессор должен иметь более высокую мощность, чем в четырехтактных, т.к. при продувке часть воздуха проходит в выпускные окна, транзитный воздух не используется для зарядки цилиндра и понижает температуру выпускных газов. Вследствие этого на частичных нагрузках энергии отработавших газов оказывается недостаточно для газотурбинного привода компрессора.

      Кроме того, при газотурбинном наддуве  невозможен запуск дизеля. Учитывая это, в двухтактных двигателях обычно применяют комбинированную

систему наддува с последовательной или  параллельной установкой компрессора  с газотурбинным и компрессор с механическим приводом.

      При наиболее распространенной последовательной схеме комбинированного наддува компрессор с газотурбинным приводом производит только частичное сжатие воздуха, после чего он дожимается компрессором, приводимым во вращение от вала двигателя.

      Благодаря применению наддува возможно повышение  мощности по сравнению с мощностью двигателя без наддува от 40% до 100% и более.

      Причем, основным направлением развития современных поршневых двигателей с воспламенением от сжатия будет являться значительное форсирование их по мощности за счет применения высокого наддува в сочетании с охлаждением воздуха после компрессора .

      В четырехтактных двигателях в результате применения давления наддува до 3.1...3.2 МПа в сочетании с охлаждением воздуха после компрессора достигается среднее эффективное давление Pe=18.2...20.2 МПа.

      Привод  компрессора в этих двигателях газотурбинный. Мощность турбины достигает 30% от мощности двигателя, поэтому повышаются требования к КПД турбины и компрессора. Неотъемлемым элементом системы наддува этих двигателей должен являться охладитель воздуха, установленный после компрессора. Охлаждение воздуха производится водой, циркулирующей с помощью индивидуального водяного насоса по контуру: воздухоохладитель - радиатор для охлаждения воды атмосферным воздухом.

      Перспективным направлением развития поршневых двигателей внутреннего сгорания является более полное использование энергии выпускных газов в турбине, обеспечивающей мощность компрессора, нужную для достижения заданного давления наддува. Избыточная мощность в этом случае передается на коленчатый вал дизеля. Реализация такой схемы наиболее возможна для четырехтактных двигателей. 

      5. Выбор типа конструкционного материала

      В зависимости от типа судна  при постройке предпочтение отдается той конструкции и конструкционным материалам использование которых будет не только материально оправдано но и соответствовало назначению яхты. Для быстроходных моторных яхт с остроскулыми обводами целесообразно применение алюминиевомагниевых сплавов, при серийной постройке моторных яхт можно перейти к формованию корпуса из стеклопластика.

      Использование в качестве судостроительного материала  титана очень проблематично, хотя и  реализуемо. Стоимость материала  титана в настоящее время в 200 раз больше чем судостроительной стали, а технология обработки в 250 раз дороже чем у стали.

      СТАЛЬ

      Судостроительная  сталь - это относительно недорогая  специальная сталь, удовлетворяющая требованиям свариваемости, деформации и обладающая минимально допустимыми для определенных условий эксплуатации физико-механическами свойствами. Для обеспечения качественной  сварки содержание углерода в стали не должно превышать 0.23%. В судостроительной стали жестко ограничивается содержание таких примесей, как фосфор и сера.

      Обычная судостроительная сталь имеет предел текучести 240 МПа, предел прочности 410-500 МПа и относительное удлинение при разрыве 22%. Эти значения самые минимальны. Если заказчик яхты  желает  иметь гарантию качества стали, то он должен потребовать, чтобы каждый лист или профиль были промаркированы (знак изготовителя, название материала и номер плавки). Самое надежное, конечно, заказывать судостроительную сталь с сертификатом классификационного общества.

      Большинство классификационных обществ  в понятие «судостроительная сталь»  различают еще группы качества А-Е, которые относятся к материалу различной толщины. Кроме нормальной судостроительной стали классификационные общества допускают применение судостроительных сталей повышенной прочности, которые, обладая более высокими пределами текучести, при механической обработке оказываются более трудоемкой.

      Сталь с пределом текучести 32 МПа в обработке ненамного сложнее обычной.  Все детали из этой стали можно соответственно уменьшить в размерах, что конечно способствует снижению массы, но и приводит к появлению дополнительной сварочной деформации. Учитывая, что для постройки судов относительно малой длины   (явно менее 60 м) используется тонколистовая сталь и прокатный профиль с малым номером появление дополнительных сварочных деформаций является одним из самых весомых факторов обуславливающих применение судостроительной стали нормальной прочности.

         Листовой материал для постройки яхт подвергается испытанию на изгиб. Классификационные общества требуют испытывать на изгиб образец, вырезанный из листа. Для обычной судостроительной стали образец должен подвергаться на изгиб в холодном состоянии и выдержать его без трещин.

          Алюминиево-магниевые сплавы

      Легкие  сплавы (алюминиево-магниевые сплавы) находят применение в судостроении для сварных конструкций благодаря своему преимуществу в массе перед сталями. Основную часть этих сплавов составляет Al.

      Алюминиево-магниевые  сплавы делятся на деформируемые  и на литейные. Для изготовления несущих элементов используют главным образом деформируемые сплавы, которые в зависимости от системы легирования и состояния разделяются, в свою очередь, на термически упрочняемые и термически не упрочняемые.

      К термически упрочняемым деформируемым  сваривающимся сплавам относятся сплавы следующих марок: АМц, АМг2, АМг3,   АМг4, АМг5, АМг61, АМг61Н. К термически упрочняемым не сваривающимся сплавам относится, например, сплав марки Д16. К литейным сваривающимся сплавам относятся сплавы АЛ-2 и АЛ-8.

      В соответствии с Российским ГОСТом приняты следующие условные обозначения способов изготовления алюминиево-магниевых сплавов: неплакированные обозначаются маркой сплава без дополнительной маркировки, а плакированные - буквой А, если плакировка нормальная, Б, если технологическая, и У, если- утолщенная. Кроме того, материалы маркирует в зависимости от состояния поставки; отожженные- буквой М, полунагартованные- Н2; нагартованные- Н; закаленные и естественно состаренные-Т; закаленные и искусственно состаренные-Т1. Материалы без термической обработки не имеют дополнительного обозначения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

      Таким образом , двигатели внутреннего сгорания - очень сложный механизм. Функция, выполняемая тепловым расширением в двигателях внутреннего сгорания не так проста, как это кажется на первый взгляд. Да и не существовало бы двигателей внутреннего сгорания без использования теплового расширения газов.

      Современная технология может также обеспечить защиту деталей двигателя, подверженных термическим нагрузкам, особенно поршней, путем использования структурного покрытия или специальных изолирующих материалов. Эти материалы могут быть нанесены на поверхности деталей, что добавляет материалам желаемые характеристики, которыми они изначально не обладают. Эти покрытия можно разделить на два основных класса: молекулярные твердые покрытия и керамика.      Твердое покрытие используется или связывается на молекулярном уровне с помощью процесса, подобного металлизации.