Корпус роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использована при изготовлении корпуса двигателя.
Наиболее интенсивное тепловыделение в двигателе имеет место на такте расширения продуктов сгорания и в процессе продолжающегося при этом сгорания топлива, поэтому возникает необходимость теплоизоляции внутренней поверхности в зонах горения и расширения. При работе двигателя наличие слоев покрытия на внутренней рабочей поверхности корпуса, где происходит сгорание топлива и расширение продуктов сгорания, обеспечивает существенное уменьшение отвода тепла из рабочей камеры корпуса в систему охлаждения и повышение полноты сгорания.
Известен корпус роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с нанесенным на внутреннюю поверхность корпуса теплоизоляционным покрытием, выполненным, например, из окиси циркония, или керамического материала (US 4021163, 1977). Существенным недостатком известного технического решения является низкая окислительная стойкость, обусловленная образованием пористого слоя оксида циркония, не препятствующего диффузии кислорода к подложке при температуре, превышающей 1000°C. При нанесении покрытия из керамического материала для обеспечения достаточной прочности сцепления (адгезии) этого покрытия с основой, предварительно нанесенной на внутреннюю поверхность корпуса, требуется нанесение дополнительных промежуточных слоев между теплозащитным покрытием (керамикой) и основой, что усложняет технологический процесс изготовления корпуса.
2
3
2
3
Наиболее близким к предполагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому эффекту является корпус роторно-поршневого двигателя с нанесенным на внутреннюю поверхность корпуса теплоизоляционным покрытием, выполненным из композиционного материала (RU 5823, 1998). В известном техническом решении покрытие внутренней поверхности корпуса выполнено из композиционного материала, состоящего из твердых включений фазы α - AlO, распределенной в матрице из γ - AlO и соединениях муллита
2
3
2
3AlO⋅2SiO.
Существенным недостатком известного технического решения является недостаточный уровень коррозионной стойкости материала покрытия при температурах, превышающих 1500°C.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении высокой коррозионной и окислительной стойкости материала покрытия внутренней поверхности корпуса роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели, заключается в существенном снижении диффузии кислорода к внутренней поверхности корпуса роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания и поверхности материала матрицы при температурах 1500-2000°C.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в корпусе роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с нанесенным на внутреннюю поверхность корпуса теплоизоляционным покрытием, выполненным из композиционного материала, покрытие внутренней поверхности корпуса выполнено из интерметаллокерамоматричного композиционного материла на основе двухкомпонентной смеси диборида гафния и дисилицида вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас.%:
диборид гафния (HfB<sub>2</sub>)
40-70
дисилицид вольфрама (WSi<sub>2</sub>)
30-60,
где в качестве армирующего материала матрицы используется углеродное волокно.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как выполнение покрытия внутренней поверхности корпуса из интерметаллокерамоматричного композиционного материала на основе двухкомпонентной смеси диборида гафния и дисилицида вольфрама при определенном соотношении компонентов, где в качестве армирующего материала матрицы используется углеродное волокно, обеспечивает снижение диффузии кислорода к внутренней поверхности корпуса и поверхности материала матрицы при температурах 1500-2000°C, что позволяет повысить коррозионную и окислительную стойкость материала покрытия внутренней поверхности корпуса.
Настоящая полезная модель поясняется следующим описанием и иллюстрациями, где:
на фиг. 1 изображена схема предлагаемого корпуса роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с нанесенным на внутреннюю поверхность корпуса теплоизоляционным покрытием;
на фиг. 2 представлена таблица сравнительных параметров известного и предложенного технического решения.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - корпус роторно-поршневого двигателя;
2 - теплоизоляционное покрытие внутренней поверхности корпуса.
Корпус 1 роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, изготовленный из алюминиевого сплава, внутренняя поверхность которого в поперечном сечении представляет собой профиль эквидистанты к эпитрохоиде (см. фиг. 1), описываемой вершиной каждого выступа ротора (на чертеже не показан) при его планетарном движении внутри корпуса 1. На внутренней поверхности корпуса 1 нанесено теплоизоляционное покрытие 2, выполненное из интерметаллокерамоматричного композиционного материала на основе двухкомпонентной смеси диборида гафния и дисилицида вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас.%:
диборид гафния (HfB<sub>2</sub>)
40-70
дисилицид вольфрама (WSi<sub>2</sub>)
30-60,
где в качестве армирующего материала матрицы используется углеродное волокно.
Для нанесения покрытия 2 на внутреннюю поверхность корпуса 1, используется технология газодетонационного напыления композиционного материала на основе двухкомпонентной смеси диборида гафния и дисилицида вольфрама. В качестве армирующего материала матрицы используется углеродное волокно в виде отрезков, равномерно диспергированных в композиции интерметаллокерамоматричного композиционного материала. При нагреве в интервале температур 1500-2000°C указанная двухкомпонентная смесь быстро окисляется с образованием интерметаллокерамоматричного соединения. При этом получается достаточно пластичное и маловязкое стекло состава
2
2
2
3
2
5
HfO⋅SiO⋅BO⋅WO,
которое растекается над внутренней поверхностью корпуса и обволакивает поверхность армирующих углеродных волокон. В результате происходит снижение диффузии кислорода к внутренней поверхности корпуса 1 роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания и к поверхности материала матрицы, что обеспечивает повышение окислительной и коррозионной стойкости материала покрытия 2.
Для оценки свойств покрытия внутренней поверхности корпуса были проведены испытания интерметаллокерамоматричного композиционного материала на основе вариантов рецептур двухкомпонентной смеси диборида гафния и дисилицида вольфрама при различных соотношениях компонентов. В качестве армирующего материала матрицы используется углеродное волокно в виде отрезков диаметром 20-30 мкм и длиной 5-10 мм.
Рецептура 1 при соотношении компонентов, мас.%:
диборид гафния (HfB<sub>2</sub>)
40
дисилицид вольфрама (WSi<sub>2</sub>)
60.
Рецептура 2 при соотношении компонентов, мас.%:
диборид гафния (HfB<sub>2</sub>)
70
дисилицид вольфрама (WSi<sub>2</sub>)
30.
Рецептура 3 при соотношении компонентов, мас.%:
диборид гафния (HfB<sub>2</sub>)
50
дисилицид вольфрама (WSi<sub>2</sub>)
50.
Рецептура 4 при соотношении компонентов, мас.%:
диборид гафния (HfB<sub>2</sub>)
55
дисилицид вольфрама (WSi<sub>2</sub>)
45.
При этом приведенные в рецептурах диапазоны соотношений компонентов не должны толковаться, как ограничивающие область предлагаемого технического решения.
Полученные результаты исследования покрытий, выполненных в соответствии с указанными выше рецептурами предлагаемого технического решения и прототипа, представленные в таблице (см. фиг. 2) показывают, что:
минимальное значение коррозионной стойкости исследуемых покрытий (рецептура 1) соответствует значению максимальной коррозионной стойкости покрытий прототипа и выше значения максимальной коррозионной стойкости образцов прототипа в 1,8-2,5 раза (рецептуры 2-4);
отклонения в минимальных значениях коррозионной стойкости опытных образцов (рецептуры 2-4) находятся в допустимых пределах измерений;
анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что предпочтительным вариантом из исследованных рецептур является рецептура 3.
Таким образом, выполнение покрытия внутренней поверхности корпуса из интерметаллокерамоматричного композиционного материала на основе двухкомпонентной смеси диборида гафния и дисилицида вольфрама при определенном соотношении компонентов, где в качестве армирующего материала матрицы используется углеродное волокно, позволяет решить проблему обеспечения высокой коррозионной и окислительной стойкости материала покрытия внутренней поверхности корпуса роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания при температурах 1500-2000°C.