Поршень із алюмінієвого сплаву для двигуна внутрішнього згоряння

Реферат: UA 104630 U UA 104630 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області двигунобудування, зокрема до поршнів, що мають керамічне та каталітичне покриття на поверхнях камери згоряння, що забезпечує підвищення ресурсу, потужності двигунів, зниження витрати палива й зменшення токсичних викидів з відпрацьованими газами. Зростання форсування двигунів внутрішнього згоряння супроводжується збільшенням механічних і теплових навантажень на деталі і впливає на ресурс і надійність, витрату палива, що, в основному, залежать від зносу і ушкодження поршнів. При підвищенні температури поршня погіршуються механічні властивості матеріалу поршня, а нерівномірне температурне поле в різних перерізах поршня викликає значні термічні напруги й нерівномірну його деформацію, що є головною причиною до скорочення строку служби поршня. На поршнях розтріскуються краї камер згоряння, має місце знос і поломка кільцевих перемичок, оплавлення головки поршня, поява задирок на циліндричній частині і схоплювання з гільзою циліндра. В основному, від працездатності поршнів залежить і ресурс двигуна, техніко-економічні показники й показники токсичності. Для зменшення витрати палива та скорочення вмісту СО та NO, в продуктах згоряння на днище поршня наносять каталітичне покриття-каталізатор горіння палива. Відомий поршень із алюмінієвого сплаву для двигуна внутрішнього згоряння, що містить сформоване на зовнішніх ділянках його, що підлягають інтенсивному зносу, зміцнююче покриття у вигляді окремих плям або смуг, що чергуються між собою (пат. RU № 2224127, С2, F02F3/10, 2004). Недоліком даного поршня є складність отримання єдиної формоутворюючої поверхні після механічної обробки матеріалів з різною твердістю, що не сприяє зниженню зносу поршня. Відомий поршень із алюмінієвого сплаву для двигуна внутрішнього згоряння, що містить сформоване на його зовнішній поверхні теплозахисне і зносостійке покриття, що проникає вглиб матеріалу поршня у вигляді оксидованого корундового шару визначеної глибини (пат. RU № 56483, FO2F3/00, 2006). В місцях розташування кільцевих канавок для поршневих кілець в даному поршні виконані припливи-виступи, що замінюють зазначені кільця, на яких також сформований корундовий шар. Недоліком даного поршня є значне зниження відводу тепла від тіла поршня, так як відсутність канавок для поршневих кілець взагалі не передбачає відвід тепла від даної ділянки. Відомий спосіб приготування каталізатора горіння вуглеводного палива (Патент UA 94489, С2, 201 1 р.) згідно з яким на внутрішній поверхні камери згоряння та головки поршня двигуна зі сплаву на основі алюмінію гальваноплазменною обробкою отримують зносостійкий керамічний шар з високою адгезією до основного металу поршня, а потім декілька разів просочують сумішшю розчинів нітратних солей міді та хрому протягом 4-5 годин, сушать за температурою 90-120 °C протягом 1-1,5 години, та прожарюють за температурою 400-500 °C протягом 1-1,5 години. За час роботи двигуна внутрішнього згоряння, що має каталітичне покриття, зменшується витрата палива майже на 5-10 % та скорочується зміст СО та NOX в продуктах згоряння. Недоліком засобу є високотемпературне прожарювання, що приводить до погіршення механічних властивостей поршнів з алюмінієвих сплавів і зменшення ресурсу роботи двигуна. Найбільш близьким по суті і досягнутому результату до запропонованого технічного рішення є поршень із алюмінієвого сплаву для двигуна внутрішнього згоряння, що містить сформоване на його денці і на канавках компресійних і маслознімних кілець теплозахисне і зносостійке покриття у вигляді оксидованого корундового шару визначеної глибини (пат. RU № 130003, F02F3/10, 2013). Таке покриття виконане у вигляді оксидованого корундового шару глибиною у межах 25-30 мкм. Однак експериментально встановлено, що така мала глибина оксидованого корундового шару не є ефективною, призводить до зниження температури тіла поршня тільки на 2-3 °C, не сприяє суттєвому зниженню температури поршня, не впливає суттєво на підвищення ресурсу роботи поршня, не приводить до підвищення температури газу у період дифузійного згоряння, не підвищує ефективність процесу згоряння палива. (Шпаковский В.В., Линьков О.Ю., Пылёв В.В. Оценка влияния толщины теплоизоляции на температурное состояние поршня с корундовым слоем на огневой поверхности. // Вестник НТУ "ХПИ": Сб. научн. Трудов. Тем. Вып. "Транспортное машиностроение". -Харьков, 2008.- вып. 46, с. 169-173). Крім того, дане оксидоване покриття не має каталітичних властивостей, необхідних для підвищення ефективності згоряння палива та зменшення витрати палива і скорочення змісту СО та NOX в продуктах згоряння. В той час відомо, що каталітичні властивості мають електрети з негативним поверхневим зарядом. Задача корисної моделі полягає у створенні поршня із алюмінієвого сплаву для двигуна внутрішнього згоряння який сприяє збільшенню ресурсу циліндропоршневої групи, зниженню 1 UA 104630 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 витрати палива й зменшенню викиду шкідливих газів за рахунок надання більшої товщини теплозахисному покриттю у межах 150-200 мкм, та надання йому електретних властивостей. Поставлене завдання вирішується тим, що в поршні із алюмінієвого сплаву для двигуна внутрішнього згоряння, що містить сформоване на його денці і на канавках компресійних і мастилознімних кілець теплозахисне і зносостійке покриття у вигляді оксидованого корундового шару визначеної глибини, згідно з корисною моделлю корундовий шар додатково сформований на циліндричній поверхні поршня, при цьому на денці, циліндричній поверхні поршня, на канавках компресійних і мастилознімних кілець виконане покриття глибиною в межах 150-200 -8 2 мкм з електретними властивостями з негативним поверхневим зарядом у межах 3·10 Кл/см .-8 2 3,9·10 Кл/см . Аналогічних технічних рішень зі схожими ознаками при проведенні патентно-інформаційного пошуку не виявлено. Це свідчить про те, що запропоноване технічне рішення є новим і промислово придатним. Корисна модель пояснюється кресленням, де на фіг. 1 зображена залежність питомої реостатної (тягової) витрати палива дизелів тепловозів ЧМЕ-3 від частоти обертів колінчастого вала 1 - з поршнями з електретним корундовим шаром після наробітку 1 14676 мотородин, 2 серійного дизеля з новою циліндропоршневою групою без покриття, на фіг. 2 - залежність відсотку зниження питомої реостатної (тягової) витрати палива дизеля тепловоза ЧМЕ-3 від частоти обертів колінчастого валу після наробітку 1 14676 мотогодин з поршнями з електретним корундовим шаром. Зносостійкий оксидований корундовий шар з електретними властивостями на поверхні поршня утворюється за допомогою гальваноплазменної обробки в лужному електроліті при електричному струмі між катодом та анодом 800-1200 В зі спеціальною формою анодних і 2 . -8 2 катодних імпульсів та густиною 50-120 А/дм , має негативний поверхневий заряд -3,9 10 Кл/см , що підвищує ефективність процесу згоряння. При упорскуванні палива в електричному полі електрета відбувається електростатичне розпилювання, що приводить до більше раннього початку розпаду паливних молекул з утворенням вільних радикалів. Прискорюється поява холодного полум'я, скорочується час початку процесу ланцюгового самоприскорення реакції, поліпшується динаміка виділення тепла. При товщині оксидованого корундового шару у межах 150-200 мкм у період дифузійного згоряння відбувається підвищення температури газу, що приводить до більше швидкому й більше повному згорянню палива. Температура газу в КЗ збільшується приблизно на 30-60 К, а на корундовій поверхні поршня приблизно на 60-100 К, що дозволяє одержати плазму з підвищеною концентрацією іонізуючого впливу. Надлишковий заряд газу в основному позитивний, а надлишковий заряд електрета негативний. Притягання молекул газу до корундової поверхні підсилюється, їхня швидкість багаторазово збільшується, що приводить до посилення удару молекул об корундову поверхню й руйнуванню самої молекули. Діючи як каталізатор, електретний корундовий шар потоком вихру електретно навколо їхніх атомів, а також магнітним потоком нейтралізують міжатомні зв'язки, послабляють їх, сприяють руйнуванню або руйнують великі молекули газу на атоми й електрони їхнього зв'язку. Зменшується енергія активації початку ланцюгової реакції розпаду молекул. На електретній корундової поверхні денця поршня відбувається роздрібнення компонентів газу, збільшення питомого обсягу, газової постійної й теплоємності суміші. Зі збільшенням питомого об'єму відбувається збільшення потужності двигуна, що й спостерігається практично. Потужність двигуна зростає й відповідно зменшується витрата палива і викид шкідливих газів. Запропонована корисна модель пояснюється наступними прикладами. Приклад 1. У результаті випробувань двигуна МеМз-245 було встановлено, що застосування поршнів з електретним корундовим поверхневим шаром товщиною 0,15-0,2 мм на денці поршня й кільцевому поясі дозволяє знизити витрату палива у всьому діапазоні швидкісної характеристики від 1,7 % до 10 % і значно знизити зміст вуглеводнів у відпрацьованих газах (Шпаковский В.В. Анализ эффективности применения поршней с корундовым слоем для снижения расхода топлива / В.В.Шпаковский, О.Ю. Линьков // Авиационно-космическая техника и технология.-2008.-№10 (57.)-С. 140-144.). Приклад 2. Оснащення дизеля Д-240Л поршнями з електретним корундовим шаром обумовило зниження питомої витрати палива на 6,6 % і збільшення максимальної потужності на 8,66 %. Серійний двигун розвивав потужність 55,16 кВт, а з поршнями з електретним корундовим шаром - 59,94 кВт. Приклад 3. У результаті стендових випробувань дизеля Д65НТ1, оснащеного поршнями з електретним корундовим шаром і тефлоновим покриттям поверхонь тертя, установлено 2 UA 104630 U 5 10 15 зниження витрати палива на 5,1 %, збільшення розвиваної потужності з 44,72 кВт до 46,7 кВт, тобто на 4,4 % і зменшення димності вихлопних газів з 46 до 30 %. Приклад 4. Застосування гальваноплазменної обробки днища поршня й бічній поверхні до 1-го компресійного кільця автотракторного дизеля 4ЧН12/14 приводить до зниження масових викидів твердих часток з відпрацьованими газами в середньому на 19 % - 30 %. (И.В. Парсаданов, A.П. Поливянчук, ДВС.НТУ "ХПИ", 2009, вып. 2). Приклад 5. У результаті дев'ятнадцятирічних експлуатаційних ресурсних випробувань дизеля тепловоза ЧМЕ-3 №6830 з новими поршнями з електретним корундовим шаром установлено, що ресурс циліндропоршневої групи збільшується більш ніж в 3 рази, реостатна потужність значно перевищує реостатну потужність дизеля тепловоза №6835 з новими серійними поршнями того ж року випуску й працюючого в приблизно однакових умовах у депо Харків-Сортувальний. Реостатні випробування тепловозних дизелів з поршнями з електретним корундовим шаром, виконувані в депо Харків-Сортувальний протягом 19 років, показали також значне зниження питомої реостатної витрати палива дизеля тепловоза на 10-40 %, залежно від режимів роботи і відповідно зменшення викидів шкідливих газів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Поршень із алюмінієвого сплаву для двигуна внутрішнього згоряння, що містить сформоване на його денці і на канавках компресійних і мастилознімних кілець теплозахисне і зносостійке покриття у вигляді оксидованого корундового шару визначеної глибини, який відрізняється тим, що додатково на циліндричній поверхні поршня сформовано теплозахисне і зносостійке покриття, при цьому на денці, циліндричній поверхні поршня, на канавках компресійних і мастилознімних кілець виконане покриття глибиною в межах 150-200 мкм з електретними -8 2 -8 2 властивостями з негативним поверхневим зарядом у межах 3·10 Кл/см -3,9·10 Кл/см . 3 UA 104630 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4