Двигун внутрішнього згоряння

Реферат: UA 106796 U UA 106796 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області двигунобудування, зокрема до двигунів, 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. Для зниження зносу поршнів та зниження теплових навантажень на робочі поверхні поршнів наносять теплостійке покриття. Це призводить до збільшення ресурсу як поршнів так і всієї циліндропоршневої групи. В основному, від працездатності поршнів залежить ресурс двигуна. Для зниження витрати пального та зменшення викиду шкідливих газів в камерах згоряння становлять каталізатори, які поліпшують процес згоряння. Це підвищує техніко-економічні показники й показники токсичності. Відомий двигун внутрішнього згоряння, що містить гільзу циліндра й поршень із алюмінієвого сплаву, на ділянках поверхонь яких мікродуговим оксидуванням сформоване композиційне покриття, що містить оксид алюмінію й з'єднання муліту (Патент РФ N 2056515, 1996 p.), що забезпечує зниження тертя, зменшення зношування деталей циліндропоршневої групи й поліпшення теплового режиму роботи двигуна. До недоліків двигуна ставиться те, що покриття гільзи циліндра й поршня має зовнішній пористий шар муліту, що має низьку зносостійкість, а для його видалення механічною обробкою, потрібні більші витрати. Крім того, внутрішній щільний шар на денці поршня повинен мати раціональну товщину, щоб забезпечувала зміну температури поверхні слідом за зміною температури газу в камері згоряння, що й дозволить одержати ефект зниження витрати палива, підвищення потужності й зменшення викиду шкідливих газів. Відомий двигун внутрішнього згоряння, поверхня камери згоряння якого методом плазмового напилювання покрита шаром молібдену й шаром алюмосилікату, що містить 6090 % окису алюмінію (заявка Великобританії N 1288326, 1972 р.). До недоліків двигуна ставиться те, що плазмове напилювання не забезпечує достатній ступінь адгезії покриття і його зносостійкість. Таке покриття може відшаровуватися під дією високої температури й тиску й не може бути застосоване для захисту тертьових поверхонь циліндропоршневої групи. Відомий спосіб приготування каталізатора горіння вуглеводного палива (Патент UA 94489, С2, 2011 р.) згідно з яким на внутрішньої поверхні камери згоряння та головки поршня двигуна з сплаву на основі алюмінію гальваноплазмовою обробкою отримують 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 температури 90-120 °C протягом 11,5 години, та прожарюють за температури 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 CO та NO х в продуктах згоряння. Недоліком засобу є високотемпературне прожарювання, що приводить до погіршення механічних властивостей деталей з алюмінієвих сплавів і зменшення надійності й ресурсу роботи двигуна. Відомий двигун що містить камеру згоряння, обмежену деталями із двошаровим теплоізолюючим покриттям (Патент РФ 2168039 27.05.2001), причому перший шар покриття виконаний з багатофазного кристалічного пористого матеріалу, а другий шар покриття, звернений до камери згоряння, виконаний у вигляді суцільної плівки з тугоплавкого матеріалу. До недоліків двигуна ставиться те, що перший шар покриття містить на поверхні муліт 3Аl2О32SіО2, що має слабку адгезію, невисоку твердість і більшу шорсткість, а другий шар покриття у вигляді плівки товщиною 2-20 мкм буде повторювати шорсткість поверхні першого шару. Для зменшення шорсткості й зниження коефіцієнта тертя необхідні витрати на механічну обробку головки циліндрів, гільзи й денця поршня, крім цього другий шар покриття при теплозмінах при роботі двигуна може відшаровуватися. Найбільш близьким технічним рішенням по суті і досягнутому результату до запропонованого технічного рішення є двигун внутрішнього згоряння, що містить циліндропоршневу групу, виготовлену з алюмінієвого сплаву, причому на робочій поверхні циліндра й на днище поршня виконане композиційне покриття, отримане мікродуговим оксидуванням з оксидами алюмінію й кремнію (патент РФ N 2143573, 1999 р.). До недоліків двигуна ставиться те, що зовнішній шар муліту на циліндричних поверхнях поршня, гільзи циліндра й кільцевих перемичках необхідно видаляти механічною обробкою. Це значно ускладнює технологію й вимагає більших витрат. Крім того композиційне покриття не має електретних властивостей, які поліпшують процес згоряння, та знижують викиди шкідливих продуктів згоряння в атмосферу. 1 UA 106796 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Завдання корисної моделі полягає у створенні двигуна внутрішнього згоряння який має низьке зношування деталей циліндропоршневої групи, збільшений ресурс циліндропоршневої групи у 2-3 рази, підвищену потужность двигуна на 10-20 %, знижені витрати палива на 10-20 % й зменшені викиди шкідливих газів на 20-30 %. Поставлене завдання вирішується тим, що двигун оснащено поршнями з корундовим шаром з електретними властивостями - каталізатором горіння палива з негативним поверхневим зарядом, отриманим гальваноплазмовою обробкою, який сформований тільки на днищі та на циліндричній поверхні поршня, іонізатором повітря, розташованим безпосереднє біля впускного клапана, системами регулювання подачі повітря та палива системами регулювання подачі повітря та палива з утворюванням найменш бідній паливо-повітряної суміші. 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 валу. 1 - з поршнями з електретним корундовим шаром після наробітку 114676 мотогодин, 2 серійного дизеля з новою циліндропоршневою групою без покриття, на фіг. 2 - залежність відсотку зниження питомої реостатної (тягової) витрати палива дизеля тепловоза ЧМЕ-3 з поршнями з електретним корундовим шаром від частоти обертів колінчастого валу після наробітку 114676 мотогодин. Зносостійкий корундовий шар з електретними властивостями на вогневій поверхні поршня і -8 2 -8 2 негативним поверхневим зарядом у межах 310 Кл/см -3,910 Кл/см підвищує ефективність процесу згоряння, поліпшує тепловий режим двигуна, знижує тертя поршня і гільзи (Марченко А.П. Получение корундоэлектрета при гальваноплазменной обработке деталей из алюминиевых сплавов / А.П. Марченко, В.В. Шпаковский, В.В. Стариков // Двигатели внутреннего сгорания. - 2011. - № 2. - С. 127-130). Для іонізації повітря встанавлюється іонізатор, який сприяє руйнуванню або руйнує молекули повітря на атоми й електрони їхнього зв'язку. При упорскуванні палива в іонізоване повітря, з утворюванням найменш бідній паливоповітряної суміші, в електричному полі корундового шару з електретними властивостями відбувається його електростатичне розпилювання, що приводить до більше раннього початку розпаду паливних молекул з утворенням вільних радикалів (Шпаковский В.В. Влияние корундоэлектрета, образованного на поверхности поршня на процесе горения топлива в камере сгорания ДВС / В.В. Шпаковский // Вестник НТУ "ХПИ". - 2011. - № 56. - С. 115-123.). Діючи як каталізатор, електретний корундовий шар потоком вихру злектріно 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. Прискорюється поява холодного полум'я, зменшується енергія активації початку ланцюгової реакції розпаду молекул, скорочується час початку процесу ланцюгового самоприскорення реакції, поліпшується динаміка виділення тепла. Температура газу в камері згоряння збільшується, що дозволяє одержати плазму з підвищеною концентрацією іонізуючого впливу. Надлишковий заряд газу в основному позитивний, а заряд поверхні поршня 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. 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 ілюструється 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 всім 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 %. 2 UA 106796 U 5 10 15 20 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 зниження витрати палива на 5,1 %, збільшення потужності, що розвивається, з 44,72 кВт до 46,7 кВт, тобто на 4,4 % і зменшення димності вихлопних газів з 46 до 30 %. Приклад 4 Застосування гальваноплазмової 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, А.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 ХарківСортувальний. 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. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Двигун внутрішнього згоряння, що містить циліндропоршневу групу, виготовлену з алюмінієвого сплаву, причому на робочій поверхні циліндра й на днищі поршня виконане композиційне покриття, отримане мікродуговим оксидуванням, який відрізняється тим, що двигун оснащено поршнями з корундовим шаром з електретними властивостями з негативним поверхневим зарядом, отриманим гальваноплазмовою обробкою, який сформований тільки на днищі та на циліндричній поверхні поршня, іонізатором повітря, розташованим безпосереднє біля впускного клапана, системами регулювання подачі повітря та палива з утворюванням найменш бідної паливо-повітряної суміші. 3 UA 106796 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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