АНОДНО-ОКСИДНОЕ ПОКРЫТИЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ANODE-OXIDE COATING OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF MAKING SAME

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники
[0001] Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания и способу его изготовления. Настоящее изобретение, в частности, относится к двигателю внутреннего сгорания, на рабочую поверхность которого, облицовывающую камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, частично или полностью нанесено анодно-оксидное покрытие, и способу изготовления двигателя внутреннего сгорания, отличающегося способом формирования анодно-оксидного покрытия.
2. Уровень техники
[0002] Основными элементами двигателя внутреннего сгорания, например бензинового двигателя или дизельного двигателя, являются блок цилиндров, головка блока цилиндров и поршни. Камера сгорания двигателя включает внутреннюю поверхность отверстия блока цилиндров, днище поршня, помещенное в отверстии в блоке цилиндров, нижнюю поверхность головки блока цилиндров и поверхности головок впускного и выхлопного клапанов, расположенных внутри головки блока цилиндров. Поскольку к новейшим двигателям внутреннего сгорания предъявляется требование в виде низкого удельного расхода топлива, важно сократить потери при охлаждении. В качестве одной из мер для снижения потерь при охлаждении можно указать способ формирования керамического теплоизоляционного покрытия на внутренней стенке камеры сгорания.
[0003] Однако вышеупомянутое керамическое покрытие, как правило, имеет низкую теплопроводность и высокую теплоемкость. Когда на внутреннюю стенку камеры сгорания нанесено керамическое покрытие, в результате постоянного повышения температуры эффективность всасывания снижается и возникает стук двигателя (неравномерное сгорание топлива из-за удержания тепла внутри камеры сгорания); соответственно, в настоящее время керамика не является наиболее часто используемым материалом покрытия внутренней стенки камеры сгорания.
[0004] В свете вышеизложенного, теплоизоляционное покрытие, наносимое на рабочую поверхность камеры сгорания, предпочтительно должно состоять из материала, обладающего не только высокой теплостойкостью и высокими теплоизолирующими свойствами, но также низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью. В этой связи, чтобы не допустить во время такта всасывания постоянного повышения температуры стенки, предпочтительно, чтобы теплоизоляционное покрытие обладало низкой теплоемкостью для снижения температуры стенки в соответствии с температурой воздуха на впуске. Кроме того, помимо низкой теплопроводности и низкой теплоемкости, предпочтительно, чтобы покрытие состояло из материала, способного выдерживать многократную нагрузку максимальным давлением сгорания топлива и давлением впрыска топлива, а также термического расширения и термического сжатия при сгорании топлива в камере сгорания, а также обладало высокой сцепляемостью с основным материалом, например с материалом блока цилиндров.
[0005] Головка блока цилиндров, в которой как на нижнюю поверхность головки блока цилиндров, так и на внутреннюю поверхность водяной рубашки в головке блока цилиндров нанесено микропористое покрытие из диоксида кремния или оксида алюминия посредством анодного оксидирования, описана в опубликованной заявке Японии №2003-113737 (JP 2003-113737 А). Согласно описанию, в головке блока цилиндров, поскольку микропористое покрытие нанесено в ней как на нижнюю поверхность головки, так и на внутреннюю поверхность стенки, площадь нижней поверхности головки и внутренней поверхности стенки расширена за счет покрытия; соответственно, тепло, производимое в камере сгорания, может эффективно поглощаться через покрытие внутри камеры сгорания. На внутренней поверхности стенки тепло, поглощаемое внутри камеры сгорания, может эффективно отводиться через покрытие в охлаждающую воду. Соответственно, можно получить головку блока цилиндров с ограниченным приростом температуры, при этом материал головки легко нагревается благодаря поглощению тепла или легко охлаждается в результате отвода тепла.
[0006] Подобно этому, когда на рабочую поверхность, покрывающую камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, наносится анодно-оксидное покрытие, получают двигатель внутреннего сгорания, обладающий низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью и при этом превосходными теплоизолирующими свойствами. Помимо данных функциональных преимуществ, к анодно-оксидному покрытию также предъявляется требование в виде исключительных параметров с точки зрения амплитуды циклических колебаний температуры. Здесь «параметры амплитуды циклических колебаний температуры» означают параметры, предполагающие, что благодаря теплоизолирующим свойствам материала температура анодно-оксидного покрытия изменяется в соответствии с температурой газа внутри камеры сгорания.
[0007] При изучении под микроскопом анодно-оксидного покрытия можно увидеть множество трещин на его поверхности. Внутри анодно-оксидного покрытия наблюдается множество дефектов, которые соединяются с трещинами. Как правило, многочисленные пустоты, образованные этими трещинами и дефектами, распространяются с поверхности покрытия вглубь. Заявителем установлено, что эти трещины и дефекты имеют размеры в пределах примерно от 1 до 10 мкм.
[0008] Кроме того, внутри анодно-оксидного покрытия, помимо микропустот, также наблюдается множество мелких отверстий с наноразмерами (наноканалов).
[0009] Анодно-оксидное покрытие, как правило, содержит пустоты, такие как поверхностные микротрещины и внутренние дефекты, а также множество наноканалов, то есть отверстий наноразмеров. В соответствии с настоящим изобретением было установлено, что с точки зрения прочности покрытия желательно закупорить микропустоты (то есть заделать, закупорить их), а с точки зрения значений амплитуды циклических колебаний температуры в анодно-оксидном покрытии, имеющем наноразмерные микропустоты, предпочтительно оставить многочисленные наноканалы.
[0010] Отметим в данной связи, что традиционный способ закупоривания поверхностных микротрещин (пустот) в целях антикоррозионной обработки поверхности и технология нанесения такой поверхности описаны, например, в опубликованной заявке Японии №2005-298945 (JP 2005-298945 А).
[0011] JP 2005-298945 А описывает способ, согласно которому для заполнения поверхностных трещин используется кремниевый компонент, полученный из пергидрополисилазана или продукта поликонденсации пергидрополисилазана.
[0012] Как описано в JP 2005-298945 А, когда относительно крупные поверхностные трещины заполняются пергидрополисилазаном, пустоты закрываются, а прочность покрытия повышается. Тем не менее, при введении только пергидрополисилазана в анодно-оксидное покрытие наноканалы, имеющиеся внутри покрытия, также закрываются. Соответственно, при этом трудно сформировать анодно-оксидное покрытие с хорошими значениями амплитуды циклических колебаний температуры.
[0013] Настоящее изобретение описывает двигатель внутреннего сгорания с анодно-оксидным покрытием, отличающимся низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью, а также исключительными теплоизолирующими свойствами и исключительными параметрами амплитуды циклических колебаний температуры части или всей рабочей поверхности, покрывающей камеру сгорания, и способ изготовления этого двигателя внутреннего сгорания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Двигатель внутреннего сгорания согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения представляет собой двигатель внутреннего сгорания с анодно-оксидным покрытием, нанесенным по крайней мере на часть рабочей поверхности со стороны камеры сгорания, при этом анодно-оксидное покрытие содержит пустоты и наноканалы, меньшие по своим размерам, чем пустоты; по крайней мере часть пустот закупорены закупоривающим материалом, полученным путем преобразования герметизирующего материала, и по меньшей мере часть наноканалов остаются не закупоренными.
[0015] Двигатель внутреннего сгорания согласно первому варианту осуществления изобретения имеет анодно-оксидное покрытие (или теплоизолирующее покрытие) по крайней мере, на одной из частей камеры сгорания. С другой стороны, в двигателе внутреннего сгорания согласно первому варианту осуществления изобретения, в отличие от двигателя с традиционным анодно-оксидным покрытием по крайней мере часть трещин на поверхности покрытия и дефектов внутри покрытия (и те, и другие представляют собой микроразмерные пустоты) закупорены закупоривающим материалом, полученным путем преобразования герметизирующего материала, за счет чего формируется высокопрочное покрытие. Кроме того, в двигателе внутреннего сгорания согласно первому варианту осуществления изобретения по крайней мере часть многочисленных наноканалов (наноразмерные отверстия), имеющихся в анодно-оксидном покрытии, не закупорены; соответственно, образуется покрытие, обладающее структурой, в которой сохраняется большое количество микропор.
[0016] «По меньшей мере, часть пустот закупорены закупоривающим материалом, полученным путем преобразования герметизирующего материала» означает, что в отличие от состояния, в котором все микропустоты в анодно-оксидном покрытии закупорены закупоривающим материалом, представляет собой состояние, в котором остаются не закупоренными только наноканалы, расположенные ниже определенной глубины от поверхностного слоя анодно-оксидного покрытия. Кроме того, «по крайней мере часть наноканалов не закупорены», в отличие от состояния, в котором все наноканалы в анодно-оксидном покрытии не закупорены, означает состояние, в котором только наноканалы, расположенные ниже определенной глубины от поверхностного слоя анодно-оксидного покрытия, не закупорены. Отметим, что состояние покрытия, при котором все микропустоты закупорены закупоривающим материалом и все наноразмерные отверстия не закупорены, предпочтительно как с точки зрения твердости анодно-оксидного покрытия, так и значения амплитуды циклических колебаний температуры. Тем не менее, пустоты и наноканалы - это отверстия микро- или наноразмеров; соответственно, в действительности, получаем состояние покрытия, в котором только пустоты поверхностной области анодно-оксидного покрытия закупорены закупоривающим материалом, а наноканалы поверхностной области не закупорены, или состояние покрытия, в котором чередуются пустоты, которые не закупорены закупоривающим материалом, и наноканалы (часть от общего числа наноканалов), которые также не закупорены.
[0017] «Закупоривать» поверхностные трещины и внутренние дефекты означает нанести герметизирующий материал на микроразмерные пустоты с тем, чтобы заделать и закупорить их закупоривающим материалом, полученным путем преобразования герметизирующего материала. «Герметизирующий материал» представляет собой жидкое покрытие, содержащее неорганический материал, и «закупоривающий материал» представляет собой вещество, полученное путем преобразования материала покрытия, содержащего неорганический материал. Согласно настоящему изобретению было установлено, что размеры микропустот анодно-оксидного покрытия, нанесенного на рабочую поверхность камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, как правило, варьируются в пределах примерно от 1 до 10 мкм.
[0018] «Наноканалы не закупорены» означает состояние покрытия, в котором наноканалы содержат наноразмерные поры, не закупоренные закупоривающим материалом, полученным путем преобразования герметизирующего материала. Согласно настоящему изобретению было установлено, что размеры пор наноканалов, присутствующих на рабочей поверхности анодно-оксидного покрытия камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, как правило, варьируются в пределах примерно от 20 до 200 нм. Данные измерений в пределах от 1 до 10 мкм и от 20 до 200 нм могут быть получены на основе фотоизображений, сделанных методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) поперечного сечения анодно-оксидного покрытия; при этом выделяют пустоты и наноканалы в определенной области и их минимальные размеры измеряются, по результатам чего получены соответствующие средние показатели, позволяющие судить об их размерах.
[0019] Двигатель внутреннего сгорания, согласно первому варианту осуществления изобретения, может быть как бензиновым двигателем, так и дизельным двигателем. Основными компонентами данного двигателя являются блок двигателя, головка блока цилиндров и поршни. Камера сгорания двигателя включает внутреннюю поверхность отверстия блока цилиндров, днище поршня, помещенное в это отверстие в блоке цилиндров, нижнюю поверхность головки блока цилиндров и поверхность головок впускного и выхлопного клапанов, расположенных внутри головки блока цилиндров.
[0020] Анодно-оксидное покрытие может наноситься как на всю рабочую поверхность камеры сгорания, так и только на ее часть. В последнем случае можно сослаться на вариант осуществления изобретения, в котором анодно-оксидное покрытие наносится только на днище поршня или на поверхность головок клапанов.
[0021] Кроме того, в качестве примеров основных материалов, из которых изготавливается камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, можно привести алюминий и его сплавы, титан и его сплавы, а также материалы на основе железа с алюминиевым покрытием, на которые затем наносится анодно-оксидное покрытие. Анодно-оксидное покрытие, наносимое на рабочую поверхность, которая состоит из материала, представляющего собой алюминий или его сплав, становится алюмитным. Не только в случае применения обычного сплава алюминия, но также в случае применения высокопрочного сплава алюминия, с более высоким содержанием меди, никеля и титана, по сравнению с обычным сплавом, размеры пустот, образующих поверхностные трещины или внутренние дефекты, как правило, будут большего размера. Соответственно, повышение прочности покрытия становится более заметным при нанесении герметизирующего материала на эти пустоты и его преобразовании в закупоривающий материал.
[0022] Согласно первому варианту исполнения двигателя внутреннего сгорания, в составе анодно-оксидного покрытия, нанесенного по крайней мере на часть рабочей поверхности, которая обращена к камере сгорания двигателя, по крайней мере часть относительно крупных микроразмерных пустот закупорены закупоривающим материалом, полученным путем преобразования герметизирующего материала, и по крайней мере часть наноканалов не закупорены. В результате получают двигатель внутреннего сгорания с анодно-оксидным покрытием, которое обладает исключительными теплоизолирующими свойствами, высокой механической прочностью, а также исключительными параметрами амплитуды циклических колебаний температуры и в котором температура поверхности анодно-оксидного покрытия меняется в соответствии с температурой газа в камере сгорания.
[0023] Закупоривающий материал может представлять собой вещество на основе кремния.
[0024] В качестве герметизирующего материала, из которого получается закупоривающий материал, может использоваться любая форма полисилоксана, полисилазана и силиката натрия. В результате можно получить полисилоксановый или полисилазановый материал покрытия, содержащий неорганическое вещество, способное к отверждению при нормальной температуре и отличающееся вязкостью, которое обеспечивает равномерное проникновение в пустоты анодно-оксидного покрытия; который также способен отверждаться без высокотемпературной обработки (спекания) и отличается очень высокой твердостью закупоривающего материала после отверждения.
[0025] Второй вариант осуществления настоящего изобретения представляет способ изготовления двигателя внутреннего сгорания, в котором анодно-оксидное покрытие наносится по крайней мере на часть рабочей поверхности, которая обращена к камере сгорания, и который включает: закрытие периферийных наноканалов, при этом анодно-оксидное покрытие сохраняет пустоты и наноканалы, меньшие по своим размерам, чем пустоты внутри покрытия; и нанесение герметизирующего материала на пустоты для закупоривания по крайней мере части пустот закупоривающим материалом, полученным путем преобразования герметизирующего материала, с целью формирования анодно-оксидного покрытия, в котором по крайней мере часть наноканалов не закупорены.
[0026] В анодно-оксидном покрытии камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, согласно способу формирования анодно-оксидного покрытия, в котором, по крайней мере часть микропустот будут закупорены и по крайней мере часть наноканалов не будут закупорены, периферийные наноканалы закрывают таким образом, чтобы сформировать наноканалы, которые образуют замкнутое пространство.
[0027] «Обработка для закупоривания» представляет собой процесс, при котором формируется поверхностная стенка из наноканалов (путем расширения поверхностной стенки наноканалов) чтобы сохранить и защитить внутренние наноразмерные поры. В качестве примеров обработки для закупоривания можно привести варианты осуществления с помощью описанных далее способов обработки.
[0028] Например, это способ с помещением анодно-оксидного покрытия в среду водяного пара под давлением, способ с погружением анодно-оксидного покрытия в кипящую воду и способ с погружением анодно-оксидного покрытия в раствор, содержащий неорганическое или органическое вещество.
[0029] Любой из этих способов предполагает, что контур изначальных наноканалов расширяется и покрытие, сформированное с использованием расширения, формируется внутри наноканалов; при этом наноразмерные поры, конфигурирующие наноканалы, определяются расширением покрытия, чтобы защитить эти поры. Состояние наноканалов до начала этапа закупоривания наноканалов отличается тем, что они не полностью защищены от внешнего пространства, а форма пор не фиксирована. Соответственно, в подобном состоянии герметизирующий материал, нанесенный на следующем этапе, который описан ниже, проникает внутрь наноканалов и закупоривает их закупоривающим материалом, полученным в результате преобразования герметизирующего материала.
[0030] С другой стороны, было обнаружено, что при применении подобного закупоривания могут оставаться не закупоренными пустоты, такие как поверхностные микротрещины и внутренние дефекты. Как указано выше, «обработка для закупоривания» представляет собой процесс, в котором поверхность стенки поры полностью защищена от наружного пространства (путем расширения поверхности стенки поры, чтобы закрыть внутренний диаметр поры). При этом, если речь идет о микроразмерных пустотах, их размеры слишком велики для формирования и расширения покрытия, которое полностью отделяло бы поверхность пустот от наружного пространства.
[0031] На первом этапе, как указано выше, в анодно-оксидном покрытии формируются (выделяются) многочисленные наноканалы с размерами в пределах примерно от 20 до 200 нм.
[0032] На втором этапе герметизирующий материал наносится на микроразмерные пустоты, и закупоривающий материал, полученный в результате преобразования герметизирующего материала, закрывает по крайней мере часть пустот. Таким образом формируется анодно-оксидное покрытие, в котором по крайней мере часть наноканалов остаются не закупоренными.
[0033] В качестве примеров герметизирующего материала, как указано выше, можно привести полисилоксан и полисилазан. Дело в том, что при использовании этих материалов можно обойтись без высокотемпературной обработки (спекания), при этом герметизирующий материал способен относительно свободно проникать внутрь микропустот, а после отверждения образуется твердое тело (например, кварцевое стекло), отличающееся высокой твердостью, за счет чего повышается прочность анодно-оксидного покрытия.
[0034] Кроме того, способ нанесения герметизирующего материала не имеет конкретных ограничений. Может применяться способ погружения анодно-оксидного покрытия в герметизирующий материал, способ распыления герметизирующего материала на поверхность анодно-оксидного покрытия, способ нанесения покрытия ножевым устройством, способ нанесения покрытия центрифугированием и способ нанесения покрытия при помощи щеточного устройства.
[0035] Поскольку поверхность наноканалов закупоривается уже на первом этапе, герметизирующий материал, наносимый на втором этапе, не может проникать внутрь наноканалов. В результате получают двигатель внутреннего сгорания с анодно-оксидным покрытием, обладающим превосходными параметрами амплитуды циклических колебаний температуры по крайней мере одной из частей камеры сгорания.
x
x
x
[0036] Согласно настоящему изобретению, в случае дизельного двигателя с прямым впрыском топлива и с турбонаддувом, например двигателя легковых автомобилей, при числе оборотов 2100 в минуту и в точке оптимального расхода топлива, которая соответствует среднему рабочему давлению в 1,6 МПа, может быть достигнуто максимальное улучшение расхода топлива на 5%. Улучшение расхода топлива на 5% - это значение, которое не перекрывается погрешностью измерения, но которое может быть достоверно подтверждено в качестве существенной разницы. Кроме того, наряду с улучшением расхода топлива также было отмечено, что температура выхлопных газов повышается примерно на 15°C за счет теплоизоляции. Повышение температуры выхлопных газов является эффективным для сокращения периода нагревания катализатора восстановления ΝΟ непосредственно после запуска двигателя, при этом может быть получено значение, в пределах которого достигается улучшение скорости восстановления ΝΟ и самого восстановления ΝΟ.
[0037] С другой стороны, испытание на охлаждение (испытание на быстрое охлаждение), с оценкой значения амплитуды циклических колебаний температуры анодно-оксидного покрытия, проводилось следующим образом. На образце, на одной стороне которого было нанесено анодно-оксидное покрытие, нагревали другую сторону (на которую не было нанесено анодно-оксидное покрытие) при помощи струи газа заданной высокой температуры, а лицевую поверхность (на которую было нанесено анодно-оксидное покрытие) испытательного образца обдували охлаждающим воздухом заданной температуры для снижения температуры лицевой поверхности испытательного образца, при этом температуру поверхности измеряли и строили график охлаждения температуры поверхности покрытия и времени, и таким образом была измерена скорость снижения температуры. Скорость снижения температуры оценивалась на основе графика зависимости от времени снижения температуры на 40°C путем измерения времени, необходимого для того, чтобы температура поверхности покрытия снизилась на 40°C.
[0038] Несколько испытательных образцов были подвергнуты испытанию на быстрое охлаждение, при этом замерялось время снижения температуры на 40°C для каждого из испытательных образцов и строилась приблизительная кривая на основе большого числа графиков зависимости между коэффициентом улучшения расхода топлива и временем снижения температуры на 40°C.
[0039] Затем, когда было получено значение времени снижения температуры на 40°C, соответствующее коэффициенту улучшения расхода топлива на 5%, это значение было зафиксировано авторами настоящего изобретения на уровне 45 мс (миллисекунд). Чем короче время снижения температуры на 40°C, тем ниже будет теплопроводность и теплоемкость покрытия и тем заметней будет эффект улучшения расхода топлива.
[0040] Применительно к двигателю внутреннего сгорания и способу его изготовления согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, когда закупорены наноразмерные отверстия, которые присутствуют внутри анодно-оксидного покрытия, нанесенного на рабочую поверхность камеры сгорания двигателя, значительное количество наноканалов становятся непроницаемыми для герметизирующего материала и по крайней мере часть наноканалов при этом не будут закупорены; таким образом, когда герметизирующий материал наносится на относительно крупные пустоты микроразмеров, по крайней мере часть пустот будут закупорены закупоривающим материалом, полученным путем преобразования герметизирующего материала. В результате получен двигатель внутреннего сгорания с анодно-оксидным покрытием, которое отличается превосходными теплоизолирующими свойствами, высокой механической прочностью и отличными параметрами амплитуды циклических колебаний температуры по крайней мере части или всей рабочей поверхности, покрывающей камеру сгорания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0041] Особенности, преимущества, а также техническое и промышленное значение примеров осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых сходные позиции обозначают сходные элементы:
ФИГ. 1 представляет собой вертикальное поперечное сечение, которое отражает состояние до осуществления обработки пустот и наноканалов в анодно-оксидном покрытии на рабочей поверхности, покрывающей камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
ФИГ. 2 представляет собой увеличенное изображение части II ФИГ. 1;
ФИГ. 3А и ФИГ. 3В представляют собой упрощенные схемы, последовательно изображающие этап процесса закупоривания, согласно способу изготовления двигателя внутреннего сгорания по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
ФИГ. 4 представляет собой схематическое изображение, отражающее этап формирования анодно-оксидного покрытия, а также изображение нанесенного анодно-оксидного покрытия в соответствии со способом изготовления двигателя внутреннего сгорания, согласно настоящему варианту осуществления изобретения;
ФИГ. 5 представляет собой вертикальное поперечное сечение, которое изображает двигатель внутреннего сгорания, изготовленный по способу, согласно настоящему варианту осуществления, то есть с нанесением анодно-оксидного покрытия на всю рабочую поверхность камеры сгорания;
ФИГ. 6А представляет собой упрощенную схему, отражающую основные принципы проведения испытания на охлаждение, а ФИГ. 6В представляет собой график, изображающий кривую скорости охлаждения, полученную в результате испытания на охлаждение, и вычисленное на ее основе время снижения температуры на 40°C;
ФИГ. 7 представляет собой график, на котором изображена кривая зависимости коэффициента улучшения расхода топлива от времени снижения температуры на 40°C при проведении испытания на охлаждение;
ФИГ. 8 представляет собой диаграмму, на которой отражены результаты экспериментов, на основе которых были получены значения амплитуды циклических колебаний температуры и механической прочности анодно-оксидного покрытия;
ФИГ. 9 представляет собой фотографическое изображение, полученное методом СЭМ, отражающее состояние, в котором микроразмерные пустоты, которые содержатся в поверхностных трещинах и внутренних дефектах, закупорены закупоривающим материалом;
ФИГ. 10 представляет собой фотографическое изображение, полученное методом СЭМ, на котором изображены наноканалы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0042] Далее со ссылкой на чертежи описаны варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению и способ его изготовления. В пояснительных примерах описывается режим, когда анодно-оксидное покрытие нанесено на всю рабочую поверхность камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания. При этом возможно использование такого режима, в котором анодно-оксидное покрытие наносится только на часть рабочей поверхности камеры сгорания, например на днище поршня или верхнюю сторону клапана.
[0043] ФИГ. с 1 по 4 содержат в указанном порядке блок-схемы способа изготовления двигателя внутреннего сгорания. Более конкретно. ФИГ. 1 представляет собой вертикальное поперечное сечение, которое отображает состояние до применения обработки пустот и наноотверстий, ФИГ. 2 представляет собой увеличенное изображение части II ФИГ. 1, ФИГ. 3А и ФИГ. 3В представляют собой, в указанном порядке, упрощенные схемы, поясняющие этап закупоривания по способу изготовления двигателя внутреннего сгорания, согласно настоящему варианту осуществления изобретения, а ФИГ. 4 представляет собой схематическое изображение формирования анодно-оксидного покрытия и отображает сформированное анодно-оксидное покрытие согласно способу изготовления двигателя внутреннего сгорания в рамках настоящего изобретения.
[0044] В первую очередь выполняется этап анодного оксидирования рабочей поверхности, покрывающей камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания (не показан на чертежах) с целью формирования анодно-оксидного покрытия. Основными элементами двигателя внутреннего сгорания являются блок цилиндров, головка блока цилиндров и поршни. Камера сгорания двигателя включает внутреннюю поверхность отверстия блока цилиндров, днище поршня, помещенного в отверстии в блоке цилиндров, нижнюю поверхность головки блока цилиндров и поверхности головок впускного и выхлопного клапанов, расположенных внутри головки блока цилиндров. Анодно-оксидное покрытие нанесено на всю рабочую поверхность камеры сгорания.
[0045] Кроме того, в качестве основных материалов, из которых изготавливается камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, могут быть алюминий и его сплавы, титан и его сплавы, а также материалы на основе железа с алюминиевым покрытием, на которые затем наносится анодно-оксидное покрытие. Анодно-оксидное покрытие, нанесенное на рабочую поверхность, которая изготовлена из основного материала в виде алюминия или его сплавов, становится алюмитным.
[0046] Как показано на ФИГ. 1, при изучении под микроскопом анодно-оксидного покрытия 1, нанесенного на поверхность материала В на основе алюминия, из которого изготовлена рабочая поверхность камеры сгорания, на его поверхности можно наблюдать многочисленные трещины. Внутри анодно-оксидного покрытия 1 отмечаются множественные дефекты, которые являются продолжением трещин 1a. В целом, многочисленные пустоты, образующие эти трещины 1а и дефекты 1b, распространяются с поверхности внутрь покрытия.
[0047] Трещины 1а и дефекты 1b имеют микроразмеры в пределах примерно от 1 до 10 мкм. Не только в случае использования сплавов на основе алюминия, но также при использовании высокопрочных сплавов алюминия с повышенным содержанием таких компонентов, как медь, никель и титан (по сравнению с обычными сплавами), размеры пустот, образующих поверхностные трещины и внутренние дефекты, обычно бывают более крупными.
[0048] Кроме того, внутри анодно-оксидного покрытия 1, как показано на ФИГ. 2, помимо таких микропустот, как поверхностные трещины 1а и внутренние дефекты 1b, также присутствуют многочисленные наноразмерные каналы (наноканалы) 1с. Размеры пор наноканалов, как правило, варьируются в пределах примерно от 20 до 200 нм.
[0049] Способ изготовления двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему варианту осуществления изобретения включает этап обработки для улучшения характеристик анодно-оксидного покрытия рабочей поверхности, облицовывающего камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания. Согласно настоящему варианту осуществления изобретения, анодно-оксидное покрытие наносится таким образом, чтобы по крайней мере часть микропустот в виде трещин 1а и дефектов 1b (то есть все указанные пустоты или те пустоты, которые распространяются под поверхностным слоем на определенную глубину покрытия 1) оказались бы закупоренными и чтобы по крайней мере часть наноканалов 1с (то есть все наноканалы и те из них, которые присутствуют под поверхностным слоем на глубине, которая больше определенной глубины покрытия) не были закупорены. На первом этапе по способу изготовления край наноканалов 1 с закупоривают таким образом, чтобы получить наноканалы, которые формируют замкнутое пространство.
[0050] Этап герметизации представляет собой этап, на котором формируют поверхность стенки наноканалов (поверхность стенки наноканалов расширяется, что приводит к сужению внутреннего диаметра наноканалов), чтобы гарантировать наноразмерные поры внутри покрытия. Таким образом, герметизирующий материал, который наносится на втором этапе, не способен проникать внутрь этих наноканалов и закупоривать их.
[0051] На этапе герметизации может применяться способ с помещением анодно-оксидного покрытия в среду водяного пара под давлением, способ с погружением анодно-оксидного покрытия в кипящую воду и способ с погружением анодно-оксидного покрытия в раствор, содержащий неорганическое или органическое вещество.
[0052] Согласно способу с помещением анодно-оксидного покрытия в среду водяного пара под давлением, элемент камеры сгорания, на который наносится анодно-оксидное покрытие, после тщательной промывки водой помещают в герметичный сосуд и выполняют закупоривание с подачей водяного пара под давлением от 3 до 5 атмосфер в течение 20-30 минут.
[0053] Согласно способу, по которому анодно-оксидное покрытие погружают в кипящую воду, после тщательной промывки при закупоривании элемент камеры сгорания, на который наносится анодно-оксидное покрытие, погружают в ванну с чистой водой, нагретой до 95-100°C (рН от 5,5 до 6,5) на 30 минут.
[0054] В соответствии со способом, по которому анодно-оксидное покрытие погружают в раствор, содержащий неорганическое или органическое вещество, элемент камеры сгорания погружают в водяную баню с ацетатом никеля или ацетатом кобальта, и выдерживают в водяной бане при температуре 95°C или выше от 10 до 20 минут.
[0055] Когда анодно-оксидное покрытие помещают в среду водяного пара или в высокотемпературную водяную баню, как показано на ФИГ. 3А, покрытие края наноканалов 1с расширяется (вздувается) в направлении, ориентированном внутрь наноканалов 1с (направление XI), и, в конечном итоге, как показано на ФИГ. 3В, с помощью покрытия 1с′′, образованного путем расширения наноразмерных отверстий (наноканалы 1с′), переходит в замкнутое состояние, которое не позволяет жидкости извне проникать внутрь наноканалов. На первом этапе многочисленные наноканалы 1с′, имеющие размеры в пределах примерно от 20 до 200 нм, формируются (образуются) в анодно-оксидном покрытии.
[0056] Затем, на втором этапе, как показано на ФИГ. 4, герметизирующий материал 2 наносится на трещины 1а и дефекты 1b микроразмерных пустот для закупоривания по крайней мере части пустот. Таким образом формируют анодно-оксидное покрытие 10, в котором по крайней мере часть наноканалов 1с′ не закупорены и находятся в состоянии, которое делает невозможным проникновение в них жидкости благодаря расширению покрытия 1с′′.
[0057] В качестве примеров способов нанесения герметизирующего материала 2 можно привести способ с погружением анодно-оксидного покрытия в емкость, в которой находится герметизирующий материал 2, способ с распылением герметизирующего материала 2 на поверхность анодно-оксидного покрытия, способ с нанесением покрытия ножевым устройством, способ с нанесением покрытия методом центрифугирования и способ нанесения покрытия при помощи щеточного устройства.
[0058] В качестве герметизирующего материала 2 могут быть приведены полисилоксан и полисилазан. Это обусловлено тем, что их использование позволяет обойтись без высокотемпературной обработки (спекания), при этом герметизирующий материал способен относительно легко проникать внутрь микротрещин 1а и дефектов 1b, а после отверждения образуется твердое тело, такое как кварцевое стекло, обладающее высокой твердостью, в результате чего повышается прочность анодно-оксидного покрытия 10.
[0059] Так как поверхность наноканалов закупорена на первом этапе, герметизирующий материал, наносимый на втором этапе, не может проникать внутрь этих наноканалов. В результате может быть изготовлен двигатель внутреннего сгорания с нанесенным анодно-оксидным покрытием, которое обладает исключительными параметрами амплитуды циклических колебаний температуры по крайней мере для одной из частей камеры сгорания двигателя.
[0060] На ФИГ. 5 показан двигатель внутреннего сгорания, в котором анодно-оксидное покрытие нанесено на рабочую поверхность камеры сгорания согласно заявляемому способу изготовления.
[0061] Двигатель внутреннего сгорания, изображенный на ФИГ. 5, представляет собой, например, дизельный двигатель. Основными элементами двигателя внутреннего сгорания N являются блок цилиндров SB, который охлаждается при помощи расположенной внутри него водяной охлаждающей рубашки J, головка блока цилиндров SH, установленная на блоке цилиндров SB, впускной канал КР и выхлопной канал HP, расположенные в головке блока цилиндров SH, впускной клапан KV и выхлопной клапан HV, которые установлены с возможностью свободного перемещения в вертикальном направлении на отверстиях, при этом впускной канал КР и выхлопной канал HP соединяются с камерой сгорания NS, и поршень PS, установленный с возможностью свободного перемещения в вертикальном направлении от нижнего отверстия блока цилиндров SB. Настоящее изобретение также может применяться и к бензиновому двигателю.
[0062] Все описанные составные части двигателя внутреннего сгорания N изготовлены из алюминия или его сплавов (включая высокопрочные сплавы алюминия).
[0063] В камере сгорания NS, включающей соответствующие составные части двигателя внутреннего сгорания N, на поверхности стенки, в местах, где соответствующие составные части обращены в сторону камеры сгорания NS (поверхность цилиндрического отверстия в блоке цилиндров SB′, нижняя поверхность головки блока цилиндров SH′, днище поршня PS′, поверхность головки клапанов KV′ и HV′), наносится анодно-оксидное покрытие 10.
[0064] [Испытание на охлаждение и его результаты] Авторы настоящего изобретения изготовили множество типов испытательных образцов путем нанесения анодно-оксидного покрытия в условиях, представленных в Таблице 2, на основной материал, имеющий химический состав (сплав алюминия (АС8А)), показанный ниже в Таблице 1; провели испытание на охлаждение чтобы оценить параметры амплитуды циклических колебаний температуры анодно-оксидного покрытия, одновременно с этим провели испытание на прочность, а кроме того, осуществили ряд экспериментов, чтобы выявить зависимость между параметрами амплитуды циклических колебаний температуры и прочностью анодно-оксидного покрытия.
[0065] После формирования анодно-оксидного покрытия герметизирующий материал содержит полисилоксан или полисилазан в качестве основного компонента и изопропиловый спирт, диметилбензол или дибутиловый эфир в качестве растворителя.
[0066] Основные принципы проведения испытания на охлаждение приведены далее. Как показано на ФИГ. 6А, применительно к испытательному образцу (ИО), только на одну сторону которого нанесено анодно-оксидное покрытие, другую сторону (на которую не было нанесено анодно-оксидное покрытие) нагревают («Тепло» на чертеже) высокотемпературным обдувом при 750°C и, чтобы стабилизировать весь испытательный образец (ИО), при температуре около 250°C, при этом сопло, из которого выходит направленный поток воздуха комнатной температуры, задействовано заблаговременно с заданной скоростью потока, перемещенного при помощи линейного двигателя к лицевой поверхности (поверхность, на которую нанесено анодно-оксидное покрытие) испытательного образца ИО для начала охлаждения (для подачи охлаждающего воздуха («Воздух» на чертеже) при 25°C; одновременно с этим высокотемпературный поток продолжает подаваться с другой стороны). Температура поверхности анодно-оксидного покрытия испытательного образца (ИО) измеряется при помощи пирометра, установленного снаружи; измеряется снижение температуры при охлаждении, и строится кривая скорости охлаждения, показанная на ФИГ. 6В. Испытание на охлаждение представляет собой способ, который воспроизводит этап всасывания воздуха для внутренней стенки камеры сгорания и оценивает скорость охлаждения поверхности нагретого теплоизоляционного покрытия. Если теплоизоляционное покрытие имеет низкую теплопроводность и низкую теплоемкость, скорость охлаждения будет выше.
[0067] На основании построенного графика скорости охлаждения можно определить время, необходимое для понижения температуры на 40°С, и оценить термические характеристики покрытия в виде времени охлаждения на 40°C.
x
x
[0068] С другой стороны, в соответствии с настоящим изобретением, в качестве показателя, который позволяет достоверно оценить коэффициент улучшения расхода топлива, отбросив погрешность измерения при эксперименте и который также обеспечивает сокращение времени разогрева катализатора восстановления ΝΟ благодаря повышению температуры выхлопных газов и позволяет осуществить уменьшение вывода ΝΟ, 5-процентный коэффициент улучшения расхода топлива может трактоваться в качестве целевого показателя улучшения характеристик анодно-оксидного покрытия камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему варианту осуществления изобретения. На ФИГ. 7 показана кривая зависимости между коэффициентом улучшения расхода топлива, определенного авторами настоящего изобретения, и снижением температуры на 40°C во время проведения испытания на охлаждение.
[0069] Как следует из ФИГ. 7, время снижения температуры на 40°C, соответствующее 5-процентному коэффициенту улучшения расхода топлива при проведении испытания на охлаждение, составляет 45 мс (миллисекунд); соответственно, 45 мс или менее может рассматриваться в качестве показателя значения амплитуды циклических колебаний температуры.
[0070] С другой стороны, механическую прочность оценивали посредством проведения испытания на твердость по Виккерсу. Испытуемый участок размещали в центре поперечного сечения анодно-оксидного покрытия и вес устанавливали на уровне 0,025 кг.
[0071] Результаты испытаний приведены ниже в Таблице 3 и на ФИГ. 8
[0072] На ФИГ. 8 показана построенная авторами настоящего изобретения диаграмма коррекции между твердостью и временем снижения температуры 40°С для сплава алюминия. Область А на ФИГ. 8, где коэффициент улучшения расхода топлива составляет 45 мс или менее, а твердость по Виккерсу (HV0,025) равна или более 300, может рассматриваться как область с превосходными значениями как амплитуды циклических колебаний температуры, так и твердости (данная область отличается лучшими характеристиками, чем область сплава алюминия). Оба образца 1 и 2 относятся к области А.
[0073] На оба образца 1 и 2 было нанесено анодно-оксидное покрытие с микроразмерными пустотами, которые образовывали трещины и дефекты, которые затем были закупорены герметизирующим материалом, при этом многочисленные наноканалы не были закупорены. Таким образом, доказано, что оба образца 1 и 2 характеризуются твердостью и значениями амплитуды циклических колебаний температуры, которые аналогичны характеристикам или даже лучше, чем характеристики алюминиевого сплава.
[0074] Кроме того, сделаны фотографические изображения методом СЭМ поверхности и внутреннего слоя анодно-оксидного покрытия образца 1; более того, сделаны фотографии методом СЭМ внутреннего слоя в увеличенном масштабе, на которых можно наблюдать состояние закупоривания поверхностных трещин и внутренних дефектов герметизирующим материалом, а также состояние наноканалов. Соответствующие фотографические изображения методом СЭМ представлены на ФИГ. 9 и 10.
[0075] Как видно из ФИГ. 9, нашел свое подтверждение тот факт, что герметизирующий материал проникает в поверхностные трещины и внутренние дефекты анодно-оксидного покрытия и что их пустоты при этом закупориваются закупоривающим материалом, полученным путем преобразования герметизирующего материала.
[0076] С другой стороны, как следует из ФИГ. 10, можно наблюдать, что наноканалы внутри анодно-оксидного покрытия имеют расширенное по контуру покрытие (белая область поверхности наноканалов), а также можно подтвердить факт наличия наноразмерных пор.