Уфимский университет науки и технологий, Уфа, Россия

Н. Ю. Дударева, профессор кафедры двигателей внутреннего сгорания, докт. техн. наук, доцент, эл. почта: dudareva.nyu@ugatu.su

Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ» (ФГУП «НАМИ»), Москва, Россия
А. В. Коломейченко, заведующий отделом перспективных технологий, Центр сельскохозяйственного машиностроения, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: a.kolomiychenko@nami.ru

Уханьский текстильный университет, Ухань, Китай¹ ; Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия² ; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия³

В. Б. Деев*, профессор факультета машиностроения и автоматизации1, главный научный сотрудник², профессор кафедры обработки металлов давлением5, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: deev.vb@mail.ru

*Корреспондирующий автор.

Методом численного моделирования исследовали влияние керамического покрытия, сформированного на поверхности головки поршня двигателя внутреннего сгорания, на величину напряжений и деформаций в материале детали. Моделирование проводили в программе SolidWorks Simulation. В качестве материалов использовали: для поршня — заэвтектический поршневой алюминиевый сплав, для покрытия — керамику, свойства которой соответствовали свойствам покрытий, формируемых методом микродугового оксидирования. К поверхностям модельного поршня прикладывали механические и температурные нагрузки, соответствующие работе модельного двигателя. Установлено влияние толщины покрытия на напряженно-деформированное состояние исследуемой детали. Толщину покрытия изменяли с шагом 50 мкм в диапазоне от 50 до 300 мкм. В результате моделирования было выявлено, что благодаря покрытию существенно снижаются величины напряжений и деформаций в наиболее напряженных точках, которые расположены в центре головки поршня. То есть покрытием напряжение уменьшается в 8,6 раза, а эквивалентная деформация — в 15,8 раза. В точке, расположенной в центре поверхности головки поршня со стороны картера, напряжение снизилось в 5,3 раза, а деформация — в 6,1 раза. На кромке поверхности головки поршня отмечены менее значительные изменения: напряжение из-за покрытия снижается в 1,1 раза, а деформация в 1,6 раза. Также в работе установлено, что толщина покрытия не оказывает значительного влияния на снижение деформации и напряжения в материале поршня, для получения эффекта достаточно покрытия толщиной 50 мкм.
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках Государственного задания № FEUE-2023-0007 (УУНиТ).

1. Razuvaev A. V., Slobodina E. N. The operating conditions of the internal combustion engine with high temperature cooling. Journal of Physics Conference Series. 2020. Vol. 1441, No 1. 012026. DOI: 10.1088/1742-6596/1441/1/012026
2. Najafi M., Dastani H., Abedini M. et al. Stress analysis and fatigue life assessment of a piston in an upgraded engine. Journal of Failure Analysis and Prevention. 2019. No. 19. pp. 402–411. DOI: 10.1007/s11668-019-00583-4
3. Caldera M., Massone J. M., Martínez R. A. Failure analysis of a damaged direct injection diesel engine piston. Journal of Failure Analysis and Prevention. 2017. No. 17. pp. 979–988. DOI: 10.1007/s11668-017-0327-y
4. Deulgaonkar V. R., Ingolikar N., Borkar A., Ghute S. et al. Failure analysis of diesel engine piston in transport utility vehicles. Engineering Failure Analysis. 2021. Vol. 120. 105008. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2020.105008
5. Tomasz A., Piotr L. Selected failures of internal combustion engine pistons. Logistyka. 2015. No. 3. pp. 48–55.
6. Pinninti R. R. Temperature and stress analysis of ceramic coated SiC – Al alloy piston used in a diesel engine using FEA. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. 2015. Vol. 4, No. 8. pp. 7562–7570. DOI: 10.15680/IJIRSET.2015.0408083
7. Enomoto Y., Yamamoto T. New materials in automotive tribology. Tribology Letters. 1998. No. 5. pp. 13–24. DOI: 10.1023/A:1019100531912
8. Pistons and engine testing. Wiesbaden. 2016. 295 p. DOI: 10.1007/978-3-658-09941-1
9. Atiyah A. A., Hafidh M. H., Ali A. H. Design and preparation of stepwise functionally graded materials used for internal combustion engine piston applications. Engineering and Technology Journal. 2016. Vol. 34, Part (A), No. 13. pp. 2387–2397. DOI: 10.30684/etj.34.13A.2

10. Kumar S., Kumar M. Tribological and mechanical performance of coatings on piston to avoid failure. Journal of Failure Analysis and Prevention. 2022. Vol. 22. pp. 1346–1369. DOI: 10.1007/s11668-022-01436-3
11. Roychoudhury A., Banerjee A., Mishra P. C., Khoshnaw F. An FEA material strength modelling of a coated engine piston. Materials Today: Proceedings. 2021. No. 44. pp. 1320–1325. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.11.387
12. Ramasamy N., Kalam M. A., Varman M., Teoh Y. H. Comparative studies of piston crown coating with YSZ and Al₂O₃·SiO₂ on engine out responses using conventional diesel and palm oil biodiesel. Coatings. 2021. Vol. 8, No. 11. p. 885. DOI: 10.3390/coatings11080885
13. Jalaludin H. A., Abdullah Sh., Ghazali M. J., Abdullah B., Abdullah N. R. Experimental study of ceramic coated piston crown for compressed natural gas direct injection engines. Procedia Engineering. 2013. No. 68. pp. 505–511. DOI: 10.1016/j.proeng.2013.12.213
14. Helmisyah A. J., Ghazali M. J., Abdullah S. Characterisation of thermal barrier coating on piston crown for compressed natural gas direct injection (CNGDI) engines. Applied Mechanics and Materials. 2012. No. 5. pp. 73–77. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.663.304
15. Dudareva N., Enikeev R. D., Ivanov V. Yu. Thermal protection of internal combustion engines pistons. Procedia Engineering. 2017. No. 206. pp. 1382–1387. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.10.649
16. Yerokhin A. L., Snizhko L. O., Gurevina N. L., Leyland A. et al. Spatial characteristics of discharge phenomena in plasma electrolytic oxidation of aluminium alloy. Surface and Coatings Technology. 2004. No. 177–178. pp. 779–783. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2003.06.020
17. Kolomeichenko A. V., Kravchenko I. N. Elemental composition and microhardness of the coatings prepared on faced aluminum alloys by plasma electrolytic oxidation in a silicate-alkaline electrolyte. Russian Metallurgy (Metally). 2019. No. 13. pp. 1410–1413. DOI: 10.1134/S0036029519130147
18. Dudareva N. Y., Kolomeichenko A. V., Deev V. B., Sitdikov V. M. Porosity of oxide ceramic coatings formed by micro-arc oxidation on high-silicon aluminum alloys. Journal of Surface Investigation. 2022. Vol. 16, Iss. 6. pp. 1308–1314. DOI: 10.1134/S1027451022060362
19. Curran J. A., Clyne T. W. The thermal conductivity of plasma electrolytic oxide coatings on aluminium and magnesium. Surface and Coating Technology. 2005. Vol. 199. pp. 177–183. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.11.045
20. Malyshev V. N., Volkhin A. M., Gantimirov B. M. Tribological Characteristics Improvement of Wear Resistant MAO-Coatings. Journal of Coatings. 2013. No. 2. 262310. DOI: 10.1155/2013/262310
21. Sergeev S., Albieri M. S., Yatsenko V., Dubrovina N. Theoretical and practical study of possibility to decrease thermal stress in pistons of internal combustion diesel engine by using galvanic plasma modification. International Journal of Advanced Science and Technology. 2019. Vol. 28, No. 8. pp. 550–562. DOI: 10.13140/RG.2.2.32284.44162
22. Markov M. A., Bykova A. D., Krasikov A. V., Farmakovskii B. V., Gerashchenkov D. A. Formation of wear- and corrosion-resistant coatings by the microarc oxidation of aluminum. Refractories and Industrial Ceramics. 2018. Vol. 4, No. 59. pp. 207–214. DOI: 10.1007/s11148-018-0207-3
23. Liao Y., Zhou Q., Gao Ch. et al. In situ monitoring of initial plasma electrolytic oxidation process on 60 vol. % SiCp/2009 aluminum matrix composite by sound and vibration measurement techniques. The Review of Scientific Instruments. 2023. Vol. 6, No 94. pp. 6118–6124. DOI: 10.1063/5.0153515
24. Dudareva N. Y., Ivashin P. V., Gallyamova R. F., Tverdokhlebov A. Y., Krishtal M. M. Structure and Thermophysical Properties of Oxide Layer Formed by Microarc Oxidation on AK12D Al–Si Alloy. Metal Science and Heat Treatment. 2021. Vol. 62, No. 11-12. pp. 701–708. DOI: 10.1007/s11041-021-00625-5
25. An introduction to stress analysis applications with SolidWorks simulation : Student Guide. USA, 2010.
26. Nudehi S., Steffen J. R. Analysis of machine elements using SolidWorks simulation. USA : SDC Publications, 2016.
27. Kurowski P. M. Engineering analysis with SolidWorks simulation 2015. USA : SDC Publications, 2015.
28. Curran J. A., Kalkanci H., Magurova Yu. Mullite-rich plasma electrolytic oxide coatings for thermal barrier applications. Surface and Coatings Technology. 2007. Vol. 201. pp. 8683–8687. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.06.050
29. Shackelford J. F., Doremus R. H. Ceramic and glass materials. Structure, properties and processing. USA : Springer Science+ Business Media, 2008. 201 p. DOI: 10.1007/978-0-387-73362-3
30. Dudareva N. Yu., Kruglov A. B., Gallyamova R. F. Structure and thermophysical properties of coatings formed by the method of microarc oxidation on an aluminum alloy AK4-1. Solid State Phenomena. 2018. Vol. 284. pp. 1235–1241. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.284.1235
31. Liu Y., Lei J., Niu X., Deng X., Wen J., Wen Z. Experimental and simulation study on aluminium alloy piston based on thermal barrier coating. Scientific Reports. 2022. No. 12. 10991. DOI: 10.1038/s41598-022-15031-x
32. Mollenhauer K., Tschoke H. Handbook of Diesel Engines. London, New York: Springer Heidelberg Dordrecht, 2010. DOI: 10.1007/978-3-540-89083-6
33. Heywood J. B. Internal combustion engine fundamentals. McGraw Hill. 1988. 1056 p.