СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОРШНЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ИЗ АЛЮМИНИЯ, ТИТАНА И ИХ СПЛАВОВ
METHOD FOR TREATMENT OF PISTONS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES MADE OF ALUMINIUM, TITANIUM AND THEIR ALLOYS

Изобретение относится к области обработки поверхности поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминия, титана и их сплавов и может быть использовано в двигателестроении.
Известен способ оксидирования изделий из алюминия и его сплавов в растворах кислот и щелочей [1].
Наиболее близким по технической сущности является способ обработки поршней двигателей внутреннего сгорания, включающий оксидирование в растворе электролита [2].
Задачей изобретения является создание на донной части поршня двигателей внутреннего сгорания теплового барьерного слоя, защита поверхности поршня от разрушения при циклических термонагрузках, снижение удельного расхода топлива, увеличение эффективной мощности и эффективного коэффициента полезного действия двигателя, повышение среднего эффективного давления рабочего цикла и уменьшение токсичности отработанных газов.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе, включающем оксидирование в растворе электролита, согласно предложенному изобретению донную часть поршня помещают в раствор электролита на основе ортофосфорной кислоты и проводят оксидирование, одновременно перемещая поршень относительно свободной поверхности электролита по мере формирования покрытия на донной части поршня, при этом ее противоположную сторону охлаждают сжатым воздухом.
Способ осуществляется следующим образом: донную часть поршня из алюминия, титана и их сплавов помещают в электролитическую ванну с водным раствором электролита. Ток подводят на электроды, один из которых (анод) закреплен на обрабатываемом поршне, другой (катод) на внутренней поверхности ванны. При взаимодействии электрического тока, электролита и материала донной части поршня происходит формирование покрытия на ее поверхности. По мере формирования покрытия на донной части поршня его одновременно перемещают относительно свободной поверхности электролита, при этом противоположную сторону донной части поршня охлаждают сжатым воздухом. Перемещение донной части поршня относительно свободной поверхности электролита и охлаждение ее противоположной стороны обеспечивает равномерную скорость охлаждения-поршня и, как следствие, одинаковые условия формирования покрытия на всем этапе оксидирования.
Введение нового признака обеспечивает получение оксидного теплового барьерного слоя, обеспечивающего защиту донной части поверхности поршня от воздействия высокотемпературных тепловых потоков, выходящих из камер внутреннего сгорания, что позволяет снизить удельный расход топлива, увеличить эффективную мощность и эффективный коэффициент полезного действия двигателя, повысить среднее эффективное давление рабочего цикла и уменьшить токсичность отработанных газов.
2
3
4
Пример. Донную часть поршня двигателя внутреннего сгорания из технически чистого алюминия А7М и его сплава АК12, технически чистого титана ВТ1-00 и его сплава ВТ3-1 подвергали оксидированию продолжительностью 30 минут при плотности тока 4 А/дм, напряжении 250 В в водном растворе электролита на основе ортофосфорной кислоты (HPO) - 180 г/л, по мере формирования оксидного покрытия на донной части поверхности поршня ее перемещают относительно свободной поверхности электролита, одновременно охлаждая противоположную сторону донной части поршня сжатым воздухом при давлении 0,1 МПа. После завершения процесса формирования покрытия ток отключали. Донную часть поршня промывали и просушивали. Далее проводили испытания.
Для проведения испытаний использовали стенд КИ 5543 ГОСНИТИ с двигателем внутреннего сгорания УМ3-4178. Испытания проводили на пяти группах поршней (по 20 штук в каждой группе) из алюминия технически чистого А7М, алюминиевого сплава АК12, титана технически чистого ВТ1-00 и титанового сплава ВТ3-l. Оксидированию подвергали донную часть поршня до толщины оксидного слоя 150 мкм.
Затем проводили обкатку двигателя по стандартной методике в течение 3 часов на следующих режимах:
-1
1) холодная обкатка при частоте вращения коленчатого вала 1200-1500 мин в течение 15 мин;
-1
-1
-1
-1
2) горячая обкатка на холостом ходу при частоте вращения коленчатого вала: 1000 мин в течение 1 часа; 1500 мин в течение 1 часа; 2000 мин в течение 30 минут; при 2500 мин в течение 15 минут.
Далее двигатели разбирали и исследовали поршни. В результате было установлено, что поршни из всех партий имеют только следы приработки.
Результаты испытаний представлены в таблице, которые определяли и исследовали по стандартным методикам. В таблице указаны средние значения исследуемых характеристик для каждой партии поршней и для каждого рода материалов поршней как с покрытием на донной части поршней (строки №1, 2, 3, 4 таблицы), так и без покрытия (строки №5, 6, 7, 8 таблицы).
Как показали исследования (см. таблицу), поршни с покрытием обеспечивают лучшие характеристики работы двигателя внутреннего сгорания по сравнению с поршнями без покрытий. Важно отметить, что поршни из технически чистого титана (№3, №7) и его сплава (№4, №8) обеспечивают лучшие характеристики работы двигателей внутреннего сгорания, чем поршни из технически чистого алюминия (№1, №5) и его сплава (№2, №6), что связано с первоначально высокими свойствами поршней из титана и его сплава (№7, №8) по сравнению с алюминием и его сплавом (№5, №6).
Результаты испытаний, представленные в таблице, свидетельствуют об эффективной защите поршней от воздействия высокотемпературных потоков, выходящих из камер внутреннего сгорания - термостойкость увеличивается в 6…8 раз. Снижение градиента температур между юбкой и донной частью поршня позволяет повысить среднеэффективное давление рабочего цикла на 7…9% и, как следствие, снизить удельный расход топлив на 7…8%, увеличить эффективную мощность на 7…10% и коэффициент полезного действия на 6-11% двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, повышается температура сгорания топлива, что, в свою очередь, позволяет снизить токсичность отработанных газов на 25…43%.
Создание на донной части поршня двигателя внутреннего сгорания теплового барьерного слоя, способного препятствовать его разрушению при циклических термонагрузках, приводит к возрастанию срока службы поршня.
Источники информации
1. Анодно-окисные покрытия на легких сплавах. Францевич И.И., Лавренко В.А., Пиленкевич А.Н. и др. - Киев: Наук. Думка, 1977, с.190.
2. Патент на изобретение №2137580 «Способ восстановления пар трения» от 20.09.1999 г. Бюл. №26.