Корпус роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания
HOUSING OF ROTARY-PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано для теплоизоляции корпуса двигателя.
Известен корпус роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с расположенными в нем впускным и выпускным каналами (авторское свидетельство СССР №639475, F02B 53/12, 1978 г. Бюллетень №47). Отсутствие теплоизоляции внутренней поверхности корпуса приводит к большому отводу тепла в систему охлаждения и уменьшению доли теплоты, преобразуемой в эффективную работу, и, как следствие, к снижению КПД двигателя и ухудшению его технико-экономических показателей, а также к увеличению содержания токсичных веществ в отработавших газах, вследствие неполноты сгорания топливовоздушной смеси.
Известен корпус роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с расположенными в нем впускным и выпускным каналами и нанесенным на внутреннюю поверхность корпуса и выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя теплоизоляционным покрытием, выполненным из композиционного материала, выполненного из пористого металла или керамического материала, например, окиси циркония (патент US №4021163, класс 418-83, 1977 г.). Известное техническое решение не обеспечивает достаточного уровня снижения количество тепла, теряемого в систему охлаждения вследствие недостаточно высоких теплоизоляционных параметров материала покрытия и его низкую стойкость к термоударам (резком повышении температуры). Кроме того, используемые покрытия имеют недостаточно высокую прочность сцепления (адгезию) с основой, предварительно нанесенной на внутреннюю поверхность корпуса, в связи с чем требуется нанесение дополнительных промежуточных слоев между теплозащитным покрытием и основой.
2
3
2
3
2
3
2
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является корпус роторно-поршневого двигателя с расположенными в нем впускным и выпускным каналами и нанесенным на внутреннюю поверхность корпуса и выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя теплоизоляционным покрытием, выполненным из композиционного материала (Патент РФ на полезную модель RU №5823, F01C 2106, 1998 г.). В известном техническом решении покрытие внутренней поверхности корпуса выполнено из композиционного материала, состоящего из твердых включений фазы α-АlО, распределенной в матрице из γ-АlО и соединениях муллита 3АlО * 2SiO. Существенным недостатком известного технического решения является пониженная прочность при термоударе вследствие недостаточного сцепления (адгезии) теплоизоляционного материала с основой, что обусловлено различием в коэффициентах термического расширения, а также недостаточная эффективность теплозащитных свойств материала, не обеспечивающего достаточного уровня снижения количества теряемого тепла. Кроме того, недостаточно эффективная теплоизоляция на поверхности выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя приводит к повышению степени теплоотвода от горячих газов в каналы охлаждения, в результате чего снижается эффективность двигателя и увеличивается содержание СО и NOx в отработавших газах.
Реализация технического решения по заявляемому изобретению позволяет повысить эффективность роторно-поршневого двигателя за счет уменьшения теплоотвода горячих газов из полости его корпуса и повышения надежности теплозащитного покрытия.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в повышении теплозащитных, адгезионных и прочностных свойств покрытия внутренней поверхности корпуса и выпускного канала роторно-поршневого двигателя.
2
2
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в корпусе роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с расположенными в нем впускным и выпускным каналами, каналами охлаждения на внутреннюю поверхность корпуса роторно-поршневого двигателя и выпускного канала нанесено теплоизоляционное покрытие, выполненное из композиционного материала, причем покрытие внутренней поверхности корпуса выполнено из интеркерамоматричного композиционного материала на основе реакционно-спеченного карбида кремния (SiC), диборида циркония (ZrB), дисилицида циркония (ZrSi), ультрадисперсного углерода (С) и ванадия (V) при следующем соотношении компонентов, мас. %:
карбид кремния (SiC)
68-70
диборид циркония (ZrB<sub>2</sub>)
5
дисилицид циркония (ZrSi<sub>2</sub>)
5
ультрадисперсный углерод (С)
10
ванадий (V)
10-12,
5
3
3
4
с образованием фазы Новотного состава ZrSiC, а покрытие внутренней поверхности выпускного канала выполнено из материала на основе пористого карбида кремния (SiC), модифицированного волокнами нитрида кремния (SiN) в соотношении компонентов, мас. %:
карбид кремния (SiC)
78-80
волокна нитрида кремния (Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)
20-22
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как:
2
2
- выполнение покрытия внутренней поверхности корпуса из интеркерамоматричного композиционного материала на основе реакционно-спеченного карбида кремния (SiC), диборида циркония (ZrB), дисилицида циркония (ZrSi), ультрадисперсного углерода (С) и ванадия (V) при следующем соотношении компонентов, мас. %:
карбид кремния (SiC)
68-70
диборид циркония (ZrB<sub>2</sub>)
5
дисилицид циркония (ZrSi<sub>2</sub>)
5
ультрадисперсный углерода (С)
10
ванадий (V)
10-12,
5
3
с образованием фазы Новотного состава ZrSiC обеспечивает повышение теплозащитных, адгезионных и прочностных свойств покрытия за счет того, что фаза имеет более высокую термостойкость, чем силициды тугоплавких металлов, что особенно заметно при температурах выше 1000°С. Материалы, содержащие фазу Новотного выдерживают рабочие температуры до 1700-1900°С, отличительной особенностью которых является уникальная атомно-кристаллическая структура наноламинантной четырехшаговой спирали [Неорганические материалы, №10, том 51, 2015 г., изд-во «Наука»].
3
4
- выполнение покрытия внутренней поверхности выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя из материала на основе пористого карбида кремния (SiC), модифицированного волокнами нитрида кремния (SiN) в соотношении компонентов мас. %:
карбид кремния (SiC)
78-80
волокна нитрида кремния (Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)
20-22,
обеспечивает повышение теплозащитных и прочностных свойств покрытия. Настоящее изобретение поясняется следующим описанием и иллюстрациями, где:
- на фиг. 1 изображена схема предлагаемого корпуса роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания;
- на фиг. 2 изображена таблица сравнительных механических и теплофизических параметров известного и предложенного технического решения.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - корпус роторно-поршневого двигателя;
2 - впускной канал корпуса роторно-поршневого двигателя;
3 - выпускной канал корпуса роторно-поршневого двигателя;
4 - каналы охлаждения;
5 - теплозащитное покрытие внутренней поверхности корпуса роторно-поршневого двигателя;
6 - теплозащитное покрытие внутренней поверхности выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя.
Корпус роторно-поршневого двигателя 1 включает расположенные в стенках впускной и выпускной каналы корпуса роторно-поршневого двигателя 2 и 3 соответственно, и каналы охлаждения 4. Поперечное сечение внутренней рабочей поверхности корпуса имеет профиль эквидистанты к эпитрохоиде, описываемой вершиной каждого выступа ротора (на чертеже не показан) при его планетарном движении внутри корпуса роторно-поршневого двигателя 1 (см. фиг. 1).
2
2
5
3
Необходимо отметить, что наиболее интенсивное тепловыделение в двигателе имеет место на такте расширения продуктов сгорания и в процессе продолжающегося при этом сгорания топлива, поэтому необходимо теплоизолировать не только зону горения и расширения, но также зону выпускного канала вывода выхлопных газов. При работе двигателя наличие слоев покрытия на внутренней рабочей поверхности корпуса роторно-поршневого двигателя 1, где происходит сгорание топлива и расширение продуктов сгорания, обеспечивает существенное уменьшение отвода тепла из рабочей камеры корпуса в охлаждающую среду и повышение полноты сгорания. При этом дополнительное снижение теплоотвода от горячих газов в охлаждающую среду достигается также за счет теплоизоляции внутренней поверхности выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя 3. Для этого на внутренних поверхностях корпуса роторно-поршневого двигателя 1 и выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя 3 нанесены соответственно теплозащитное покрытие внутренней поверхности корпуса роторно-поршневого двигателя 5 и теплозащитное покрытие внутренней поверхности выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя 6, выполненные из композиционного материала, причем теплозащитное покрытие внутренней поверхности корпуса роторно-поршневого двигателя 5 выполнено из интеркерамоматричного композиционного материала на основе реакционно-спеченного карбида кремния (SiC), диборида циркония (ZrB), дисилицида циркония (ZrSi), ультрадисперсного углерода (С) и ванадия (V) с образованием фазы Новотного состава ZrSiC, при следующем соотношении компонентов мас. %.
Рецептура 1:
карбид кремния (SiC)
68
диборид циркония (ZrB<sub>2</sub>)
5
дисилицид циркония (ZrSi<sub>2</sub>)
5
ультрадисперсный углерод (С)
10
ванадий (V)
12
Рецептура 2:
карбид кремния (SiC)
70
диборид циркония (ZrB<sub>2</sub>)
5
дисилицид циркония (ZrSi<sub>2</sub>)
5
ультрадисперсный углерод (С)
10
ванадий (V)
10
3
4
Покрытие внутренней поверхности выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя 3 выполнено из материала на основе пористого карбида кремния (SiC), модифицированного волокнами нитрида кремния (SiN) в соотношении компонентов мас. %:
Рецептура 3:
карбид кремния (SiC)
78
волокна нитрида кремния (Si<sub>3 </sub>N<sub>4</sub>)
22
Рецептура 4:
карбид кремния (SiC)
80
волокна нитрида кремния (Si<sub>3</sub> N<sub>4</sub>)
20
При этом приведенные в рецептурах диапазоны не должны толковаться как ограничивающие область предлагаемого технического решения.
5
3
Для нанесения покрытия на рабочую поверхность корпуса роторно-поршневого двигателя 1, изготовленного из алюминиевого сплава и внутреннюю поверхность выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя 3 используется технология газодетонационного напыления. При этом применение ультрадисперсного углерода при температуре напыления способствует образованию тройного соединения - фазы Новотного состава ZrSiC, обладающего повышенной термопрочностью при применении в составе теплозащитного покрытия внутренней поверхности корпуса роторно-поршневого двигателя, а добавка ванадия (V) увеличивает адгезионную и когезионную прочность теплозащитного покрытия внутренней поверхности корпуса роторно-поршневого двигателя, исключая необходимость нанесения дополнительных промежуточных слоев, и повышает сплошность образующихся цирконокарбидных силикатных пленок, защищающих материал покрытия от окисления и износа.
При значениях глубины слоя и геометрических параметров структуры покрытия, аналогичных приведенным в известном техническом решении, указанном в качестве прототипа, толщина слоя теплозащитного покрытия внутренней поверхности выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя и внутренней поверхности корпуса роторно-поршневого двигателя составляет 0,1-0,3 мм при радиусе пор 0,075-0,2 мм. Оптимальная толщина стенок между соседними порами составляет 0,18-0,22 их радиуса при толщине стенки между соседними порами 0,015-0,04 мм., межосевое расстояние пор составляет 0,18-0,48 мм, что определяет пониженную теплопроводность материала покрытия и обеспечивает уменьшение теплоотвода горячих газов из полости внутренней поверхности выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя и внутренней поверхности корпуса роторно-поршневого двигателя с повышением надежности и долговечности покрытия.
Сравнительный анализ данных, приведенных в таблице (см. фиг. 2) позволяет сделать вывод о том, что предложенное техническое решение обеспечивает достаточную термопрочность, высокую адгезионную способность покрытия за счет исключения промежуточных дополнительных слоев, высокие теплозащитные свойства покрытия и снижение эмиссии токсичных газов (СО и NOx).
2
2
5
3
3
4
Таким образом, выполнение покрытия внутренней поверхности корпуса роторно-поршневого двигателя из интеркерамоматричного композиционного материала на основе реакционно-спеченного карбида кремния (SiC), диборида циркония (ZrB), дисилицида циркония (ZrSi), ультрадисперсного углерода (С) и ванадия (V) при указанном выше соотношении компонентов мас. % с образованием фазы Новотного состава ZrSiC, и выполнение покрытия внутренней поверхности выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя из материала на основе пористого карбида кремния (SiC), модифицированного волокнами нитрида кремния (SiN) при указанном выше соотношении компонентов мас. % обеспечивает повышение теплозащитных, адгезионных и термопрочностных свойств покрытия, что позволяет решить проблему повышения эффективности двигателя, а именно повысить индикаторный КПД двигателя и уменьшить содержания СО и NOx в отработавших газах и способствует повышению долговечности и надежности покрытий корпуса и внутренней поверхности выпускного канала корпуса роторно-поршневого двигателя.