ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ICE AND METHOD OF ITS OPERATION

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область изобретения
[0001] Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания и способу изготовления этого двигателя внутреннего сгорания. В частности, изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, в котором на всей стенке, выходящей в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, или на ее части формируется пленка из анодно-оксидированного покрытия, и относится к способу изготовления двигателя внутреннего сгорания, особенностью которого является формирование такого анодно-оксидированного пленочного покрытия.
2. Уровень техники
[0002] Двигатель внутреннего сгорания, например, бензиновый или дизельный двигатель, состоит, главным образом, из блока цилиндров и головки цилиндров, а его камера сгорания ограничивается поверхностью расточки блока цилиндров, верхней поверхностью поршня, установленного в этом канале, нижней поверхностью головки цилиндра и поверхностями головок впускных и выпускных клапанов, расположенных в головке цилиндра. Наряду с возросшими на сегодняшний день требованиями большей мощности двигателей внутреннего сгорания становится крайне важно снизить потери на охлаждение. Наша стратегия снижения потерь на охлаждение заключается в формировании теплоизолирующего керамического пленочного покрытия на внутренней стенке камеры сгорания.
[0003] Однако керамические материалы обычно обладают низкой теплопроводностью и высокой теплоемкостью, что приводит к снижению эффективности впуска и стуку (неправильному сгоранию по причине удержания тепла в камере сгорания), вследствие чего в настоящее время их использование в качестве материалов для пленочных покрытий внутренних стенок камеры сгорания не получило распространения.
[0004] Ввиду вышесказанного, теплоизолирующее пленочное покрытие, формируемое на стенке камеры сгорания, обязательно должно быть термостойким и теплоизолирующим и желательно формироваться из материала с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью. Кроме того, помимо низкой теплопроводности и низкой теплоемкости, пленочное покрытие желательно должно быть сформировано из материала, способного выдержать давление расширения и давление впрыска во время сгорания в камере сгорания, циклические напряжения от термического расширения и термического сжатия и желательно должно быть сформировано из материала, обладающего высоким сцеплением с материалом основы, например, материалом блока цилиндров и т.п.
[0005] При рассмотрении традиционных опубликованных технологий в этой области была обнаружена головка цилиндра, описанная в японской опубликованной патентной заявке №2003-113737 (JP-A-2003-113737), которая имеет пленочное покрытие из микропористого оксида кремния или оксида алюминия, сформированное путем анодирования на нижней поверхности головки цилиндра и на внутренней поверхности водяной рубашки, находящейся внутри головки цилиндра; площадь поверхности нижней поверхности головки и внутренней поверхности рубашки увеличивается за счет этого пленочного покрытия, в результате чего тепло, образующееся в камере сгорания, эффективно вбирается вовнутрь через пленочное покрытие, а поглощенное тепло эффективно сбрасывается через пленочное покрытие внутренней поверхности рубашки в охлаждающую жидкость. Как следствие, нагревание немедленно осуществляется путем поглощения тепла, в то время как охлаждение немедленно осуществляется путем сброса тепла, что приводит к подавлению повышения температуры головки цилиндра.
[0006] Двигатель внутреннего сгорания, описанный в японской опубликованной патентной заявке №2009-243352 (JP-A-2009-243352) и в публикации WO 2009/020206, характеризуется тонкой теплоизолирующей ленкой, в которой внутри материала сформированы пузырьки, которая имеет более низкой теплопроводностью, чем основной материал, формирующий камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, и которая имеет теплоемкость такую же, либо более низкую, чем основной материал.
[0007] Технология, описанная в рассмотренных выше заявках JP-A-2003-113737, JP-A-2009-243352 и WO 2009/020206, представляет собой современную технологию, по которой на внутренней стенке камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания образуется пленочное покрытие с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью, и которая может обеспечить формирование теплоизолирующего пленочного покрытия с превосходными свойствами, описанными выше.
[0008] Однако неясно, обеспечивают ли подобные структуры пленочного покрытия образование пленочных покрытий, способных выдерживать давление расширения и давление впрыска во время сгорания в камере сгорания и циклические напряжения от термического расширения и термического сжатия, а также обеспечивают ли они образование пленочного покрытия, способного релаксировать это давление и эти нагрузки. Изобретатели обнаружили, что эти структуры пленочного покрытия вряд ли обладают превосходными свойствами релаксации давления или нагрузки. Одной из причин этого является то, что пленочное покрытие, образованное путем анодирования, имеет микроструктуру, в которой составляющие ее ячейки имеют внутри поры, в то время как соседние ячейки практически без зазора химически связаны друг с другом, в результате чего обеспечить удовлетворительное снятие напряжения между этими ячейками проблематично.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Изобретение имеет задачу решение обозначенных выше проблем и предлагает двигатель внутреннего сгорания, снабженный, на всей стенке, выходящей в камеру сгорания, или на ее части, анодно-оксидированным пленочным покрытием, обладающим низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью, а также превосходной способностью релаксировать давление расширения и давление впрыска во время сгорания в камере сгорания и снимать повторяющееся напряжение от термического расширения-сжатия, что делает его очень долговечным. Изобретение также предлагает способ изготовления такого двигателя внутреннего сгорания.
[0010] Таким образом, согласно первому аспекту изобретения, предлагается двигатель внутреннего сгорания, в котором на всей стенке, выходящей в камеру сгорания, или на ее части формируется анодно-оксидированное пленочное покрытие, причем это анодно-оксидированное пленочное покрытие имеет структуру, которая обеспечивает связывающую область, в которой каждая полая ячейка, образующая пленочное покрытие, связана с соседними полыми ячейками, и несвязывающую область, в которой три или более соседних полых ячеек не связаны друг с другом, и при этом пористость этого анодно-оксидированного пленочного покрытия определяется первой порой, присутствующей в полой ячейке, и второй порой, образующей несвязывающую область.
[0011] Предлагаемый в изобретении двигатель внутреннего сгорания имеет анодно-оксидированное пленочное покрытие (или теплоизолирующую пленку) на всей стенке, выходящей в камеру сгорания, или на ее части. Однако двигатель внутреннего сгорания, предлагаемый в настоящем изобретении, имеет пленочно покрытие, которое, в отличие от традиционных анодно-оксидированных пленочных покрытий, имеет микроструктуру, в которой - помимо полых ячеек, имеющих внутри себя полость (первая полость), - имеется полость (вторая полость), образующая несвязывающую область, например, в тройной точке между соседними полыми ячейками (Примечание: поликристаллические металлы состоят из множества монокристаллов (в данном случае множества ячеек), в результате чего между ними образуются граничные отношения; когда это происходит, точка, в которой сходятся три монокристалла, называется тройной точкой), в то время как связывающая область, в которой полые ячейки касаются друг друга, имеет химически связанную структуру.
[0012] Поскольку в анодно-оксидированном пленочном покрытии имеются полости, она обладает как низкой теплопроводностью, так и низкой теплоемкостью, но поскольку она также предлагается с отдельной полостью (второй полостью) между/среди ячеек, в то время как полые ячейки также химически связаны друг с другом, такое пленочное покрытие также обладает способностью релаксировать давление, т.е. давление расширения и давление впрыска во время сгорания в камере сгорания, а также способностью снимать повторяющиеся (циклические) напряжения от термического расширения-сжатия. Помимо формирования полостей во всех тройных точках и в других точках из трех и более смежных полых ячеек, составляющих пленочное покрытие, это может быть пленка, в которой вторая полость образована только на части тройных точек и других точек.
[0013] Предлагаемый изобретением двигатель внутреннего сгорания может быть как бензиновым двигателем, так и дизельным двигателем и, что касается его структуры, как указывалось ранее, он состоит, главным образом, из блока двигателя и головки цилиндра. Его камера сгорания ограничивается поверхностью расточки блока цилиндров, верхней поверхностью поршня, установленного в этом цилиндре, нижней поверхностью головки цилиндра и поверхностями головок впускных и выпускных клапанов, расположенных в головке цилиндра.
[0014] Анодно-оксидированное пленочное покрытие с вышеописанной микроструктурой может быть сформировано на всей стенке, выходящей в камеру сгорания, или на части этой стенки, и в последнем случае пленка может быть сформирована, например, только на верхней поверхности поршня или только на поверхности головок клапанов.
[0015] Основной материал, образующий камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, может быть представлен алюминием и его сплавами или титаном и его сплавами. При формировании анодно-оксидированного пленочного покрытия на стенке, основным материалом которой является алюминий или его сплав, получается пленочное покрытие из алюмита.
[0016] Механизм улучшения расхода топлива благодаря формированию на стенке камеры сгорания анодно-оксидированного пленочного покрытия (теплоизолирующей пленки) с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью будет описан со ссылкой на ФИГ.20. В двигателе внутреннего сгорания температура поверхности стенки, выходящей в камеру сгорания, обычно является постоянной и почти не претерпевает изменений в течение 1 цикла впрыск - сжатие - сгорание - выпуск (обычный график температуры стенки приведен на ФИГ.20), а разница между температурой стенки и температурой газообразных продуктов сгорания (график температуры газообразных продуктов сгорания в цилиндре приведен на ФИГ.20) составляет тепловые потери. С другой стороны, когда на стенке, выходящей на камеру сгорания, сформирована изолирующая пленка с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью, температура поверхности теплоизолирующей пленки колеблется в течение 1 цикла, повторяя колебания температуры газообразных продуктов сгорания (график температуры стенки из теплоизолирующей пленки двигателя внутреннего сгорания при использовании изобретения приведен на ФИГ.20). В результате разница температур между температурой газообразных продуктов сгорания и температурой поверхности стенки получается меньше, чем в отсутствие теплоизолирующей пленки, что уменьшает тепловые потери. Снижение тепловых потерь приводит к увеличению работы поршня и повышению температуры выпуска, а увеличение работы поршня приводит к улучшению расхода топлива. Эти материалы, подробно описаны изобретателями в упомянутой выше заявке WO 2009/020206. Предпочтительная толщина вышеуказанного анодно-оксидированного пленочного покрытия находится в диапазоне от 100 мкм до 500 мкм.
[0017] По мнению изобретателей, при толщине анодно-оксидированного пленочного покрытия менее 100 мкм повышение температуры поверхности пленочного покрытия в течение цикла сгорания является недостаточным, теплоизолирующие свойства являются недостаточными, и описанного далее улучшения расхода топлива достичь не получается. Таким образом, для обеспечения улучшения расхода топлива минимальная толщина устанавливается на 100 мкм.
[0018] С другой стороны, изобретатели также установили, что при толщине анодно-оксидированного пленочного покрытия более 500 мкм, оно имеет большую теплоемкость, и характеристики амплитуды колебаний (свойства, за счет которых температура анодно-оксидированного пленочного покрытия отслеживает колебания температуры газа в камере сгорания, обеспечивая при этом теплоизоляцию) ухудшаются, поскольку само анодно-оксидированное пленочное покрытие начинает сохранять тепло. 500 мкм - это также верхний предел толщины анодно-оксидированного пленочного покрытия с точки зрения эффективности и простоты производства, поскольку производство алюмитной пленки толще 500 мкм само по себе является затруднительным. Предпочтительное значение указанной выше пористости также составляет от 15% до 40%.
x
x
x
[0019] По оценкам изобретателей, формирование анодно-оксидированного пленочного покрытия с пористостью от 15% до 40% и толщиной от 100 мкм до 500 мкм на всей поверхности камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания обеспечивает максимальное улучшение расхода топлива на 5%, например, для небольших форсированных дизельных двигателей с прямым впрыском с наддувом для пассажирских автомобилей при точке оптимального расхода топлива, соответствующей скорости вращения в 2100 об/мин, и индикаторном среднем эффективном давлении в 1,6 МПа. Это улучшение расхода топлива на 5% представляет собой значение, демонстрирующее четкое значительное различие для улучшения расхода топлива, превышающее ошибку экспериментальных измерений. Кроме того, по оценкам изобретателей одновременно с улучшением расхода топлива, благодаря теплоизоляции, температура выхлопного газа повышается примерно на 15°C. В реальном двигателе подобное повышение температуры выхлопного газа оказывается эффективным для сокращения времени нагрева восстановительного катализатора окислов NO непосредственно после запуска и представляет собой значение, при котором степень очистки от окислов NO увеличивается и можно определить снижение NO.
[0020] С другой стороны, при испытании на охлаждение (испытании на закалку), проведенном во время оценки термических свойств анодно-оксидированных пленочных покрытий, используется испытательный образец, у которого анодно-оксидированное пленочное покрытие нанесено только на одну сторону, и в дальнейшем при нагревании задней поверхности (со стороны, на которую анодно-оксидированное пленочное покрытие нанесено не было) предусмотренным высокотемпературным потоком холодный воздух с заданной температурой распыляется с передней поверхности испытательного образца (со стороны, на которую нанесено анодно-оксидированное пленочное покрытие). Это служит для понижения температуры передней поверхности испытательного образца. Эта температура замеряется, и на основе температуры поверхности пленочного покрытия и времени строится кривая охлаждения, для того чтобы оценить скорость понижения температуры. Скорость понижения температуры оценивается, например, используя время понижения температуры на 40°C, которое считывается с графика и представляет собой время, необходимое для понижения температуры поверхности пленочного покрытия на 40°C.
[0021] Испытание на закалку проводится с использованием испытательных образцов с различной пористостью (пористость анодно-оксидированного пленочного покрытия определяется с использованием суммы первых пор и вторых пор); для каждого из этих испытательных образцов измеряется время понижения температуры на 40°C; и аппроксимирующая кривая строится для нескольких графиков с определенной пористостью и временем понижения температуры на 40°C.
[0022] Определив пористость на пересечении этой кривой, построенной по экспериментальным точкам, со значением времени охлаждения на 40°C (например, 45 мс), соответствующим 5% улучшению расхода топлива, указанному выше, изобретатели определили, что эта пористость составляет 15%. Теплопроводность и теплоемкость пленочного покрытия ниже, а эффект улучшения расхода топлива выше при более коротком времени охлаждения на 40°C.
[0023] С другой стороны, испытательные образцы анодно-оксидированного пленочного покрытия изготавливаются с различной пористостью, и для каждого из них измеряется микротвердость по Виккерсу, и строится аппроксимирующая кривая для нескольких графиков с определенной пористостью и микротвердостью по Виккерсу. Когда основной материал камеры сгорания состоит из алюминия, итоговая алюмитная пленка желательно должна быть тверже, чем алюминиевый основной материал, и, учитывая этот факт, путем использования микротвердости алюминия по Виккерсу в качестве порогового значения, изобретатели определили для пористости значение в 40%, когда из графика считывается пористость, определенная по аппроксимирующей кривой, и это пороговое значение.
[0024] Таким образом, на основании испытания на охлаждение, испытания на микротвердость по Виккерсу и улучшение расхода топлива на 5% диапазон пористости анодно-оксидированного пленочного покрытия регулируется в диапазоне от 15% до 40%.
[0025] Кроме того, при поиске оптимального диапазона для соотношения ϕ/d, где «ϕ» - средний диаметр поры первой полости (среднее значение диаметров пор), а «d» - средний диаметр полых ячеек, образующих анодно-оксидированное пленочное покрытие, при различной пористости, изобретатели определили диапазон, соответствующий описанному выше диапазону пористости 15%-40%, как 0,3-0,6.
[0026] Поверхность анодно-оксидированного пленочного покрытия предпочтительно должна проходить герметизацию кипящей водой или паром или покрываться тонкой пленкой, не имеющей пор, либо проходить оба типа обработки. В качестве активатора герметичности можно использовать кипящую воду с добавлением, например, силиката натрия.
[0027] Во избежание проникновения горючего и газообразных продуктов сгорания в пористое анодно-оксидированное пленочное покрытие для обработки поверхности анодно-оксидированного пленочного покрытия применяется, например, тонкая пленка неорганического герметика, такого как силикат натрия, которая наносится слоем, более тонким, чем анодно-оксидированное пленочное покрытие. С точки зрения как сохранения различных вышеописанных свойств анодно-оксидированного пленочного покрытия, так и во избежание чрезмерной толщины пленки желательно использовать тонкую пленку с толщиной около 10 мкм или менее, в отличие от ранее описанного анодно-оксидированного пленочного покрытия с толщиной от 100 мкм до 500 мкм.
[0028] Как было описано выше, анодно-оксидированное пленочное покрытие также предпочтительно должно быть алюмитной пленкой. Кроме того, микротвердость по Виккерсу такого анодно-оксидированного пленочного покрытия предпочтительно должна находиться в диапазоне от ПО до 400 HV 0,025.
2
2
[0029] В другом аспекте изобретения предлагается способ изготовления двигателя внутреннего сгорания, описанный ниже. Так, данный способ изготовления представляет собой способ изготовления двигателя внутреннего сгорания путем формирования анодно-оксидированного пленочного покрытия на всей стенке, выходящей в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, или на ее части, при котором анод формируется путем погружения всей стенки или ее части в кислотную электролитическую ванну, катод формируется внутри кислотной электролитической ванны, после чего между двумя электродами пропускается напряжение, отрегулированное в диапазоне от 130 В до 200 В для максимального напряжения, и выполняется электролиз с интенсивностью отвода тепла, отрегулированной в диапазоне от 1,6 кал/с/см до 2,4 кал/с/см, чтобы получить двигатель внутреннего сгорания, у которого на поверхности всей стенки или ее части имеется анодно-оксидированное пленочное покрытие со структурой, имеющей связывающую область, в которой полые ячейки связаны со смежными полыми ячейками, и несвязывающую область, в которой три или более смежных полых ячейки не связаны друг с другом.
2
2
[0030] Что касается условий анодирования для формирования анодно-оксидированного пленочного покрытия, имеющего описанную выше микроструктуру, на всей стенке камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания или на ее части, изобретатели определили, что электролиз проходит благоприятно при подаче напряжения, максимальное значение которого находится в диапазоне от 130 В до 200 В, между анодом и катодом в кислотной электролитической ванне, в которую погружена вся стенка или ее часть, с регулировкой интенсивности отвода тепла в диапазоне от 1,6 кал/с/см до 2,4 кал/с/см. Проведение электролиза при этих условиях обеспечивает возможность проникновения кислоты в нижнюю область (глубокую область) анодно-оксидированного пленочного покрытия, благодаря чему становится возможным образование первой и второй полостей желаемого размера по всей поверхности, достигающих нижней области анодно-оксидированного пленочного покрытия.
2
2
[0031] «Интенсивность отвода тепла» - это количество тепла, поглощенного электролитической ванной, за единицу времени на единицу площади поверхности, и регулировка температуры электролитической ванны в диапазоне от -5°C до 5°C обеспечивает интенсивность отвода тепла в диапазоне от 1,6 кал/с/см до 2,4 кал/с/см.
2
2
[0032] Другой вариант осуществления способа изготовления двигателя внутреннего сгорания в соответствии с изобретением предпочтительно включает первый этап формирования анода путем погружения всей стенки или ее части в кислотную электролитическую ванну, формирования катода внутри кислотной электролитической ванны и затем пропускания между двумя электродами напряжения с максимальным значением в диапазоне от 130 В до 200 В и проведения электролиза с регулировкой интенсивности отвода тепла в диапазоне от 1,6 кал/с/см до 2,4 кал/с/см для получения, таким образом, на поверхности всей стенки или ее части, промежуточного продукта анодно-оксидированного пленочного покрытия со структурой, имеющей связывающую область, в которой все полые ячейки связаны со смежными полыми ячейками, и несвязывающую область, в которой три или более смежных полых ячейки не связаны друг с другом; второй этап регулирования пористости, определенной первой полостью, присутствующей в полых ячейках, и второй полостью, образующей несвязывающую область, путем расширения полостей в промежуточном продукте анодно-оксидированного пленочного покрытия путем выполнения обработки по расширению пор с использованием кислоты на всей стенке или ее части, являющейся поверхностью для промежуточного продукта анодно-оксидированного пленочного покрытия.
[0033] Данный способ изготовления - с дальнейшим расширением первой и второй полости путем выполнения обработки по расширению пор анодно-оксидированного пленочного покрытия, образованного путем электролиза при тех же условиях, что и в вышеописанном способе изготовления (такое анодно-оксидированное пленочное покрытие соответствует промежуточному продукту), - может обеспечить более надежное образование пористости желаемого диапазона.
[0034] В частности, путем последующего проведения отдельной обработки кислотой для расширения пор (кислотного травления с целью расширить полости) промежуточного продукта анодно-оксидированного пленочного покрытия, произведенного на первом этапе, пористость, в целом, можно отрегулировать путем расширения первых полостей через растворение внутренней части полых ячеек и, одновременно, путем расширения вторых полостей через растворение замкнутого контура вторых полостей между полыми ячейками. При этом становится возможным изготовление двигателя внутреннего сгорания, имеющего на всей стенке камеры сгорания или на ее части анодно-оксидированное пленочное покрытие с высокой теплопроводностью и высокой теплоемкостью, обладающее превосходными свойствами по релаксации давления и снятию термического напряжения.
[0035] Также, в способе изготовления в соответствии с изобретением толщина анодно-оксидированного пленочного покрытия предпочтительно регулируется в диапазоне от 100 мкм до 500 мкм; пористость предпочтительно регулируется в диапазоне от 15% до 40%; и, таким образом, соотношение ϕ/d, где «ϕ» - средний диаметр поры первой полости, присутствующей в полых ячейках, а «d» - средний диаметр ячейки полой ячейки, предпочтительно регулируется в диапазоне от 0,3 до 0,6.
[0036] В предпочтительном варианте осуществления способа изготовления двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению способ изготовления дополняется, после формирования вышеописанного анодно-оксидированного пленочного покрытия, этапом проведения герметизирующей обработки кипящей водой или паром, этапом покрытия тонкой пленкой, не имеющей пор, или проведением обеих операций.
[0037] Как и с описанным ранее двигателем внутреннего сгорания в соответствии с изобретением, во избежание проникновения горючего и газообразных продуктов сгорания в анодно-оксидированное пленочное покрытие дополнительно может присутствовать этап выполнения герметизирующей обработки, покрытия поверхности тонкой пленкой или выполнения обеих операций. Например, в случае покрытия поверхности тонкой пленкой, покрытие поверхности произведенного анодно-оксидированного пленочного покрытия тонким слоем неорганического герметика, такого как силикат натрия, может предотвратить проникновение горючего и смеси газов внутрь анодно-оксидированного пленочного покрытия и, таким образом, сохранить различные свойства, присущие анодно-оксидированному пленочному покрытию.
[0038] Такое анодно-оксидированное пленочное покрытие предпочтительно является алюмитным пленочным покрытием. Кроме того, микротвердость такого анодно-оксидированного пленочного покрытия по Виккерсу предпочтительно должна находиться в диапазоне от 110 до 400 HV 0,025.
[0039] Как можно понять из предыдущего описания, двигатель внутреннего сгорания и способ его изготовления в соответствии с изобретением - путем формирования на всей стенке камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания или на ее части анодно-оксидированного пленочного покрытия со структурой, имеющей полость (первую полость) внутри полых ячеек, а также полость (вторую полость), например, у тройных точек между смежными полыми ячейками, в то время как в связывающих областях, где полые клетки касаются друг друга, происходит химической связывание, - предлагается двигатель внутреннего сгорания, имеющий пленочное покрытие с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью и, следовательно, превосходными теплоизолирующими свойствами, а также прекрасной способностью релаксировать давление расширения и т.п. во время сгорания в камере сгорания и релаксировать повторяющееся напряжение от термического расширения-сжатия, что делает его очень долговечным.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0040] Свойства, преимущества и технико-промышленное значение данного изобретения будет раскрыто в нижеприведенном подробном описании примеров исполнения изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых одинаковые позиции обозначают одинаковые элементы и на которых:
на ФИГ.1 представлен вид двигателя внутреннего сгорания в продольном разрезе в соответствии с примером осуществления изобретения;
на Фиг.2A представлено объемное изображение, на котором показана микроструктура защитного слоя из анодно-оксидированного пленочного покрытия камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, а также показана тонкая пленка на поверхности анодно-оксидированного пленочного покрытия;
на ФИГ.2B представлен вид в продольном разрезе, на котором показано анодно-оксидированное пленочное покрытие и тонкая пленка, изображенные на ФИГ.2A;
на ФИГ.3A представлена блок-схема способа изготовления двигателя внутреннего сгорания в соответствии с примером осуществления изобретения;
на ФИГ.3B представлена блок-схема способа изготовления в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;
на ФИГ.4 представлена матричная схема, на которой показан диапазон максимального напряжения и диапазон интенсивности отвода тепла на первом этапе способа изготовления двигателя внутреннего сгорания, а также описаны недопустимые диапазоны;
на ФИГ.5A представлена фотография, полученная путем растровой электронной микроскопии (РЭМ), поперечного сечения поверхности пленочного покрытия после анодирования (первый этап), для анодно-оксидированного пленочного покрытия в соответствии с примером для сравнения (область твердого алюмита);
на ФИГ.5B представлена РЭМ-фотография поперечного сечения нижней части пленочного покрытия после анодирования, для анодно-оксидированного пленочного покрытия в соответствии с примером для сравнения;
на ФИГ.5C представлена РЭМ-фотография поперечного сечения поверхности пленочного покрытия после анодирования, для анодно-оксидированного пленочного покрытия в соответствии с примером (область изобретения);
на ФИГ.5D представлена РЭМ-фотография поперечного сечения нижней части пленочного покрытия после анодирования, для анодно-оксидированного пленочного покрытия в соответствии с примером осуществления изобретения;
на ФИГ.6A представлена РЭМ-фотография поперечного сечения поверхности пленочного покрытия после обработки по расширению пор (второй этап), для анодно-оксидированного пленочного покрытия в соответствии с примером для сравнения (область твердого алюмита);
на ФИГ.6B представлена РЭМ-фотография поперечного сечения нижней части пленочного покрытия после обработки по расширению пор, для анодно-оксидированного пленочного покрытия в соответствии с примером для сравнения;
на ФИГ.6C представлена РЭМ-фотография поперечного сечения поверхности пленочного покрытия после обработки по расширению пор, для анодно-оксидированного пленочного покрытия в соответствии с примером осуществления изобретения (область изобретения);
на ФИГ.6D представлена РЭМ-фотография поперечного сечения нижней части пленочного покрытия после обработки по расширению пор, для анодно-оксидированного пленочного покрытия в соответствии с примером осуществления изобретения;
на ФИГ.7 представлена РЭМ-фотография поперечного сечения анодно-оксидированного пленочного покрытия в соответствии с примером для сравнения (область плазменного анодирования);
на ФИГ.8A представлено объемное изображение, на котором показана литая заготовка, являющаяся источником испытательных образцов, использованных в экспериментах;
на ФИГ.8B представлено объемное изображение, на котором показан испытательный образец, вырезанный из литой заготовки;
на ФИГ.9A представлено схематическое изображение, иллюстрирующие схему испытания на охлаждение;
на ФИГ.9B показана кривая охлаждения, построенную на основе результатов испытания на охлаждение, и время охлаждения на 40°C, полученное по этой кривой охлаждения;
на ФИГ.10 представлен график корреляции между процентным улучшением расхода топлива и временем охлаждения на 40°C при испытании на охлаждение;
на ФИГ.11 представлен график корреляции между охлаждением на 40°C и пористостью;
на ФИГ.12 представлен график корреляции между микротвердостью по Виккерсу и пористостью;
на ФИГ.13 представлен график, на котором показана взаимосвязь соотношения ϕ/d и оптимального диапазона пористости, где «ϕ» - средний диаметр поры первой полости, a «d» - средний диаметр ячейки полых ячеек;
на ФИГ.14A представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера для сравнения 1, использованного в экспериментах;
на ФИГ.14B представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера для сравнения 2;
на ФИГ.14C представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера для сравнения 3;
на ФИГ.15A представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из Примера 1, использованного в экспериментах;
на ФИГ.15B представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из Примера 2 осуществления изобретения;
на ФИГ.15C представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из Примера 3 осуществления изобретения;
на ФИГ.15D представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из Примера 4 осуществления изобретения;
на ФИГ.16A представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера для сравнения 4, использованного в экспериментах;
на ФИГ.16B представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера для сравнения 5;
на ФИГ.17 представлен график результатов экспериментов, устанавливающих нижний предел диапазона максимального напряжения, при котором удовлетворяется условие снижения температуры на 40°C при улучшении расхода топлива на 5%;
на ФИГ.18A представлен график взаимосвязи между длительностью обработки по расширению пор и пористостью в примерах осуществления изобретения и примерах для сравнения;
на ФИГ.18B представлен график взаимосвязи между длительностью обработки по расширению пор и скоростью снижения температуры поверхности;
на ФИГ.19A представлена РЭМ-фотография поверхности анодно-оксидированного пленочного покрытия в отсутствие обработки по расширению пор;
на ФИГ.19B представлена РЭМ-фотография поверхности анодно-оксидированного пленочного покрытия после проведения 20-минутной обработки по расширению пор;
на ФИГ.19C представлена РЭМ-фотография поверхности анодно-оксидированного пленочного покрытия после проведения 40-минутной обработки по расширению пор; и
на ФИГ.20 представлен график, сопровождающий описание механизма улучшения расхода топлива благодаря формированию на стенке камеры сгорания теплоизолирующей пленки (анодно-оксидированного пленочного покрытия) с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью; на этом графике показана температура газа в цилиндре, температура поверхности обычной стенки и температура поверхности пленки анодно-оксидированного пленочного покрытия, представляющей собой свойство двигателя внутреннего сгорания в соответствии с изобретением, в каждом случае как функция угла поворота кривошипа.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0041] Варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания и способа его изготовления в соответствии с изобретением описаны ниже со ссылками на чертежи. В то время как на приведенных примерах показаны варианты осуществления изобретения, в которых анодно-оксидированное пленочное покрытие сформировано на всей стенке, выходящей в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, могут иметь место и варианты, в которых анодно-оксидированное пленочное покрытие сформировано только на части стенки, выходящей в камеру сгорания, например, только на верхней поверхности поршня или только на поверхности головок клапанов.
[0042] На ФИГ.1 представлен в продольном разрезе вид двигателя внутреннего сгорания в соответствии с примером осуществления изобретения; на ФИГ.2A и 2B представлены рисунки, на которых показана тонкая пленка и микроструктура анодно-оксидированного пленочного покрытия, выходящего в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания; а на ФИГ.3A представлена блок-схема способа изготовления двигателя внутреннего сгорания в соответствии с примером осуществления изобретения;
[0043] Изображенный двигатель внутреннего сгорания 10 относится к дизельным двигателям и состоит, скажем, из блока цилиндра 1 со сформированной в нем охлаждающей рубашкой 11, головки цилиндра 2, расположенной над блоком цилиндра 1, впускного канала 21 и выпускного канала 22 в головке цилиндра 2, впускного клапана 3 и выпускного клапана 4, установленных таким образом, чтобы они могли свободно двигаться по вертикали в отверстиях, которыми впускной канал 21 и выпускной канал 22 выходят в камеру сгорания «NS», и поршня 5, сформированного таким образом, чтобы он мог свободно перемещаться по вертикали от нижнего отверстия блока цилиндра 1. Двигатель внутреннего сгорания в соответствии с изобретением может, конечно, относиться и к бензиновому двигателю.
[0044] Различные существенные элементы данного двигателя внутреннего сгорания 10 выполнены из алюминия или его сплава. В другом варианте исполнения существенные элементы могут быть изготовлены не из алюминия или его сплава, а из другого материала, и их поверхность может быть алитирована алюминием или его сплавом.
[0045] Кроме того, в камере сгорания NS, ограниченной существенными элементами двигателя внутреннего сгорания 10, на стенках, которыми они выходят в камеру сгорания NS (поверхность канала цилиндра 12, нижняя поверхность головки цилиндра 23, верхняя поверхность поршня 51 и поверхности головок клапанов 31, 41) сформировано анодно-оксидированное пленочное покрытие 61, 62, 63, 64 с заданной толщиной и с микроструктурой, показанной на ФИГ.2A и 2B.
[0046] Такая микроструктура и способ изготовления такой микроструктуры будет описан на примере анодно-оксидированного пленочного покрытия 61, сформированного на поверхности канала цилиндра 12, в качестве образца.
[0047] Анодно-оксидированное пленочное покрытие 61, сформированное на поверхности 12 канала цилиндра из алюминия или алюминиевого сплава, является алюмитным, и это анодно-оксидированное пленочное покрытие 61 формируется из множества полых ячеек C, имеющих первую полость K1 внутри, и, более конкретно, представляет собой пленочное покрытие, имеющее микроструктуру, в которой каждая из полых ячеек C химически связана со смежными полыми ячейками C, C и в которой имеется отдельная вторая полость K2 в несвязывающей области, в которой три или более смежных полых ячеек C не связаны друг с другом, например, тройные точки.
[0048] Традиционное анодно-оксидированное пленочное покрытие не обладает такой структурой, как на проиллюстрированном анодно-оксидированном пленочном покрытии 61, в котором между тремя или более смежными полыми ячейками C имеется вторая полость K2; напротив, внутри традиционных анодно-оксидированных пленочных покрытий полые ячейки химически связаны друг с другом без зазоров между ними.
[0049] Напротив, проиллюстрированное анодно-оксидированное пленочное покрытие 61 имеет первую полость K1 внутри полой ячейки C и отдельную вторую полость K2, находящуюся в несвязывающей области, где полые ячейки C, не связаны друг с другом, и пористость анодно-оксидированного пленочного покрытия 61 определяется на основании этой первой полости K1 и второй полости K2. Размер первой полости K1 и формирование и размер второй полости K2 можно регулировать путем регулирования соответствующим образом максимального напряжения и температуры кислотной электролитической ванны (или интенсивности отвода тепла) во время электролиза, с помощью которого формируется анодно-оксидированное пленочное покрытие, и путем последующей обработки в виде обработки по расширению пор, например, путем кислотного травления.
[0050] На основании проведенных изобретателями экспериментов, см. ниже, эта пористость желательно должна находиться в диапазоне от 15% до 40%. Диапазон пористости можно определить путем сечения анодно-оксидированного пленочного покрытия посередине по его толщине; полирования ионным пучком; и выполнения измерений путем анализа изображений растровой электронной микроскопии (РЭМ-изображений). Кроме того, что касается соотношения ϕ/d, где «ϕ» - средний диаметр поры первой полости K1, a «d» - средний диаметр полой ячейки C, соотношение ϕ/d в диапазоне от 0,3 до 0,6 соответствует вышеуказанному диапазону пористости от 15% до 40%.
[0051] Кроме того, изобретатели также установили, что толщина t1 анодно-оксидированного пленочного покрытия 61 должна быть предпочтительно установлена в диапазоне от 100 мкм до 500 мкм. То есть, по мнению изобретателей, когда теплоизолирующее анодно-оксидированное пленочное покрытие имеет толщину менее 100 мкм, повышение температуры поверхности пленочного покрытия во время цикла сгорания оказывается недостаточным, теплоизолирующие свойства становятся недостаточными, и улучшения расхода топлива достичь невозможно. Поэтому минимальная толщина, необходимая для обеспечения улучшения расхода топлива, устанавливается на уровне 100 мкм. С другой стороны, изобретатели также установили, что, когда толщина анодно-оксидированного пленочного покрытия превышает 500 мкм, в этой точке оно приобретает большую теплоемкость, и его колебательные динамические характеристики ухудшаются, поскольку само анодно-оксидированное пленочное покрытие начинает сохранять тепло. 500 мкм также представляет собой верхний предел анодно-оксидированного пленочного покрытия с точки зрения эффективности и простоты производства, поскольку изготовление алюмитной пленки толще 500 мкм само по себе является затруднительным. Толщину пленочного покрытия можно измерить с помощью, например, токовихревого анализатора толщины пленки и определить путем вычисления среднего значения для 10 точек.
[0052] Анодно-оксидированное пленочное покрытие 61, поскольку оно имеет микроструктуру, характеризующуюся отдельными вторыми полостями K2 возле, например, тройных точек между полыми ячейками C, имеющими первые полости K1, обладает как низкой теплопроводностью, так и низкой теплоемкостью, и, к тому же, способностью снижать давление, например, давление расширения и давление впрыска во время сгорания в камере сгорания NS, а также способностью релаксировать повторяющееся напряжение от термического расширения-сжатия.
[0053] Кроме того, установление его толщины в диапазоне от 100 мкм до 500 мкм, как описано выше, обеспечивает простоту его производства и предоставляет пленку, обладающую теплоизолирующими качествами, а также колебательными динамическими характеристиками, т.е. температура анодно-оксидированного пленочного покрытия повторяет колебания температуры газа в камере сгорания NS.
x
x
x
[0054] Более того, по оценкам изобретателей, путем задания значения пористости, определяемой первой полостью K1 и второй полостью K2, в диапазоне от 15% до 40% обеспечивается 5% улучшение расхода топлива, например, для небольших форсированных дизельных двигателей с прямым впрыском с наддувом для пассажирских автомобилей при точке оптимального расхода топлива, соответствующей скорости вращения в 2100 об/мин, и индикаторном среднем эффективном давлении в 1,6 МПа. Кроме того, одновременно с улучшением расхода топлива температура выхлопного газа повышается примерно на 15°C благодаря теплоизоляции, что обусловливает сокращение времени нагрева восстановительного катализатора окислов NO непосредственно после запуска и увеличивает степень очистки окислов NO, что может привести к уменьшению NO.
[0055] Во избежание проникновения горючего и газообразных продуктов сгорания в пористое анодно-оксидированное пленочное покрытие 61, имеющее первые и вторые полости K1, K2, на поверхности анодно-оксидированного пленочного покрытия 61 может быть сформирована тонкая пленка 7 путем применения неорганического герметика, такого как силикат натрия, который наносится слоем, более тонким, чем анодно-оксидированное пленочное покрытие 61.
[0056] С точки зрения как сохранения различных вышеописанных свойств анодно-оксидированного пленочного покрытия, так и во избежание чрезмерной толщины пленки желательно установить толщину t2 такой тонкой пленки 7, например, до значения около 10 мкм или менее, в отличие от анодно-оксидированного пленочного покрытия 61 с толщиной t1 от 100 мкм до 500 мкм.
[0057] Краткое описание способа изготовления проиллюстрированного двигателя внутреннего сгорания 10 приведено ниже со ссылками на блок-схемы на ФИГ.3A и ФИГ.4. На ФИГ.4 представлена матричная схема, на которой показан диапазон максимального напряжения и диапазон интенсивности отвода тепла на первом этапе способа изготовления двигателя внутреннего сгорания, а также описаны недопустимые диапазоны.
2
2
[0058] Анодно-оксидированное пленочное покрытие сначала формируется (этап S1) путем образования анода путем погружения стенки конкретной детали, выходящей в камеру сгорания NS, в кислотную электролитическую ванну (не показана), например, с серной кислотой, образования катода внутри кислотной электролитической ванны, затем пропускания между двумя электродами напряжения с регулировкой максимального значения в диапазоне от 130 до 200 В и проведения электролиза с интенсивностью отвода тепла, установленной в диапазоне от 1,6 кал/с/см до 2,4 кал/с/см. Эти диапазоны числовых значений рассмотрены ниже. «Интенсивность отвода тепла» - это количество тепла, поглощенного электролитической ванной, за единицу времени на единицу площади поверхности.
[0059] Выполнение формирования пленки при вышеописанных условиях на этом этапе анодирования служит для стимуляции роста полых ячеек, расширения первых и вторых полостей и, таким образом, регулирования пористости в диапазоне от 15% до 40%, а также для обеспечения возможности изготовления пленочного покрытия с толщиной пленки в диапазоне от 100 мкм до 500 мкм.
[0060] После изготовления анодно-оксидированного пленочного покрытия с желаемой пористостью поверхность анодно-оксидированного пленочного покрытия подвергается герметизирующей обработке кипящей водой или паром, покрывается тонкой пленкой без пор либо проходит оба вида обработки, чтобы получить, таким образом, двигатель внутреннего сгорания, у которого на стенке камеры сгорания сформировано анодно-оксидированное пленочное покрытие, которое не поглощает горючее или смесь газов в порах пленочного анодно-оксидированного покрытия (шаг S2).
[0061] На ФИГ.3B показана блок-схема другого варианта осуществления способа изготовления. Этот способ изготовления заключается в формировании промежуточного продукта анодно-оксидированного пленочного покрытия таким же методом, что и на этапе S1 на ФИГ.3A (первый этап, этап анодирования, этап S11), а затем этот промежуточный продукт подвергается обработке по расширению пор с помощью кислоты, такой как фосфорная кислота (обработка кислотным травлением), для расширения первых и вторых полостей и регулирование пористости в диапазоне от 15% до 40% (второй этап, этап расширения пор, этап S12). Другими словами, благодаря этому второму этапу в данном варианте исполнения способа изготовления достигается еще более надежное регулирование пористости в диапазоне от 15% до 40%.
[0062] После изготовления анодно-оксидированного пленочного покрытия с желаемой толщиной путем выполнения данной обработки для получения желаемой пористости изготавливается двигатель внутреннего сгорания путем подвергания анодно-оксидированного пленочного покрытия, как и в способе изготовления на ФИГ.3A, герметизирующей обработке, покрытию пленкой или обоим видам обработки (этап S13).
[0063] На ФИГ.4 в виде матрицы, составленной изобретателями, показан диапазон условий для первого этапа изобретения (на фигуре - область изобретения), как сочетание диапазона интенсивности отвода тепла и диапазона максимального напряжения, приложенного к электродам в кислотной электролитической ванне, а также показаны области вне этого диапазона.
2
2
[0064] Регулировка максимального напряжения в диапазоне от 130 В до 200 В и интенсивности отвода тепла в диапазоне от 1,6 кал/с/см до 2,4 кал/с/см позволяет сформировать на данном этапе анодирования анодно-оксидированное пленочное покрытие с нужной толщиной и первые и вторые полости нужного размера (на данном этапе можно предварительно произвести полости определенного размера в качестве предварительной обработки для образования полостей с желаемой пористостью путем проведения этапа обработки по расширению пор, выполняемой в качестве последующей обработки).
2
2
[0065] По мнению изобретателей, температура электролитической ванны желательно должна быть отрегулирована в диапазоне от -5°C до 5°C для обеспечения интенсивности отвода тепла в диапазоне от 1,6 кал/с/см до 2,4 кал/с/см. Интенсивность отвода тепла можно отрегулировать как с помощью температуры электролитической ванны, так и с помощью скорости перемешивания электролитической ванны.
[0066] В области, где область интенсивности отвода тепла совпадает с областью изобретения, но максимальное напряжение меньше, чем в области изобретения, т.е. максимальное напряжение меньше 100 В, размер полых ячеек оказывается маленьким, и образуется область твердого алюмита, в которой между ячейками не формируется вторая полость.
[0067] С другой стороны, в области, где область интенсивности отвода тепла совпадает с областью изобретения, но максимальное напряжение больше, чем в области изобретения, т.е. максимальное напряжение превышает 200 В, образуется область плазменного анодирования, в которой полые ячейки не формируются.
[0068] Кроме того, в области интенсивности отвода тепла под областью изобретения невозможно сформировать анодно-оксидированное пленочное покрытие с желаемой толщиной пленки в минимум 100 мкм, и было установлено, что образуется пленочное покрытие, в котором между ячейками отсутствует химическая связь.
[0069] Ниже в Таблицах 1 и 2 приведены условия обработки для анодно-оксидированного пленочного покрытия, сформированного в области изобретения, показанной на ФИГ.4 (пример), анодно-оксидированного пленочного покрытия, сформированного в области твердого алюмита (твердой области) (пример для сравнения), и анодно-оксидированного пленочного покрытия, сформированного в области плазменного анодирования (плазменной области) (пример для сравнения). Изображения растровой электронной микроскопии - РЭМ-фотографии примера осуществления изобретения и примеров для сравнения приведены на ФИГ.5A-5D, на ФИГ.6A-6D и на ФИГ.7. Так, на ФИГ.5C приведена РЭМ-фотография поперечного сечения поверхности пленочного покрытия (со стороны камеры сгорания) после анодирования для примера осуществления изобретения; на ФИГ.5D приведена РЭМ-фотография поперечного сечения нижней части пленочного покрытия (со стороны поверхности детали, на которой сформировано пленочное покрытие) после анодирования для примера осуществления изобретения; на ФИГ.5A приведена РЭМ-фотография поперечного сечения поверхности пленочного покрытия после анодирования в соответствии с примером для сравнения (область твердого алюмита); на ФИГ.5B приведена РЭМ-фотография поперечного сечения нижней части пленочного покрытия после анодирования в соответствии с примером для сравнения (область твердого алюмита). На ФИГ.6C приведена РЭМ-фотография поперечного сечения поверхности пленочного покрытия после обработки по расширению пор для примера осуществления изобретения; на ФИГ.6D приведена РЭМ-фотография поперечного сечения нижней части пленочного покрытия после обработки по расширению пор для примера осуществления изобретения; на ФИГ.6A приведена РЭМ-фотография поперечного сечения поверхности пленочного покрытия после обработки по расширению пор в соответствии с примером для сравнения (область твердого алюмита); а на ФИГ.6B приведена РЭМ-фотография поперечного сечения нижней части пленочного покрытия после обработки по расширению пор в соответствии с примером для сравнения (область твердого алюмита). На ФИГ.7 приведена РЭМ-фотография поперечного сечения анодно-оксидированного пленочного покрытия в соответствии с примером для сравнения (область плазменного анодирования).
Таблица 1
Условия этапа анодирования
Электролитическая ванна
Интенсивность отвода тепла (кал/с/см<sup>2</sup>)
Температура ванны (°C)
Максимальное напряжение (В)
Плотность тока (мА/см<sup>2</sup>)
Время обработки (мин)
Сред, толщина пленки (мкм)
Пористость (%)
(1) Область изобретения
20% Серная кислота
1,9
0
120
90
60
155
20,1
(2) Твердая область
2,6
50
10
120
141
3,5
(3) Плазменная область
1,9
250
50
60
13
-
Таблица 2
Условия этапа обработки по расширению пор
Кислота
Температура (°C)
Время обработки (мин)
Средняя толщина пленки (мкм)
Пористость (%)
(1) Область изобретения
5% фосфорная кислота
25
20
143
33,8
(2) Твердая область
131
7,0
(3) Плазменная область
-
-
-
-
-
[0070] В случае пленочного покрытия из примера осуществления изобретения, ФИГ.5 и 6 могут подтвердить, что анодирование привело к образованию полых ячеек определенного размера, имеющих полости определенного размера, как на поверхности пленочного покрытия, так и в нижней его части; что часть ячеек растворилась во время обработки по расширению пор, образовав более крупные полости как внутри ячеек, так и, например, у тройных точек между ячейками; и что ячейки имеют большой внешний диаметр и связаны (химическими связями) друг с другом.
[0071] Напротив, в случае пленочного покрытия из примера для сравнения, в котором формирование пленки проводилось в области твердого алюмита, на этапе анодирования образовались только очень маленькие полости; обработка по расширению пор приводит лишь к незначительному расширению полостей в ячейках, не дающему удовлетворительного размера; а, например, в тройных точках между ячейками полости не образуются.
[0072] Кроме того, в случае пленочного покрытия из примера для сравнения, в котором формирование пленки проводилось в области плазменного анодирования, образование полых ячеек как таковое не могло быть подтверждено, как показано на ФИГ.7.
[0073] Ниже описаны эксперименты по определению диапазона пористости и их результаты. Изобретатели провели испытания на охлаждение, испытания на микротвердость по Виккерсу и эксперименты по определению оптимального диапазона пористости для анодно-оксидированного пленочного покрытия, исходя из процентного улучшения расхода топлива. Сначала для проведения испытаний на охлаждение была изготовлена литая заготовка, показанная на ФИГ.8A, путем литья алюминиевого сплава с составом, приведенным в Таблице 3, с использованием пресс-формы для литья под давлением (не показана) (литье выполнялось при температуре 700°C путем плавления на воздухе с использованием 30-кг плавильной печи), и испытательные образцы были изготовлены путем нарезания этой заготовки на пластины толщиной 1 мм, как показано на ФИГ.8B. Анодно-оксидированное пленочное покрытие было сформировано только на одной стороне каждого испытательного образца, и испытание на охлаждение было проведено с использованием полученного образца.
Таблица 3
Компонент
Cu
Si
Mg
Zn
Fe
Mn
Ni
Ti
Al
Содержание (% массы)
0,99
12,3
0,98
0,11
0,29
<0,01
1,27
<0,01
остаток
[0074] Ниже приведено краткое описание испытания на охлаждение. Как показано на ФИГ.9A, используется испытательный образец TP, на котором анодно-оксидированное пленочное покрытие сформировано только с одной стороны; тыльная сторона (сторона, на которую не было нанесено анодно-оксидированное пленочное покрытие) нагревается высокотемпературным потоком с температурой 750°C (обозначенным на рисунке как Тепло), и испытательный образец TP в целом стабилизируется при температуре около 250°C; охлаждение начинается путем направления сопла, через которое уже выбрасывается поток воздуха комнатной температуры с заданной скоростью, на переднюю сторону испытательного образца TP (сторону, на которую нанесено анодно-оксидированное пленочное покрытие) с использованием линейного привода [подача охлаждающего воздуха при температуре 25°C (обозначенного на рисунке как Воздух) осуществляется одновременно с продолжением подачи высокотемпературного потока на тыльную сторону образца]. Температура поверхности анодно-оксидированного пленочного покрытия испытательного образца TP измеряется с помощью расположенного снаружи пирометра, для того, чтобы измерить снижение температуры в течение данного интервала охлаждения и построить кривую охлаждения, приведенную на ФИГ.9B. Данное испытание на охлаждение представляет собой способ проведения испытания, при котором симулируется ход всасывания на внутренней стенке камеры сгорания и оценивается скорость охлаждения нагретой поверхности анодно-оксидированного пленочного покрытия. Теплоизолирующая пленка с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью демонстрирует быструю скорость охлаждения при закалке.
[0075] Время, необходимое для снижения температуры на 40°C, считывается из построенной таким образом кривой охлаждения, чтобы получить время охлаждения на 40°C, с помощью которого оцениваются термические свойства пленочного покрытия.
[0076] В рассматриваемом эксперименте, как показано на ФИГ.9B, охлаждение передней стороны начинается после стабилизации температуры на уровне 250°C в течение 100 мс, а измеренное время охлаждения на 40°C равно 45 мс.
x
x
[0077] Изобретатели использовали 5% улучшение расхода топлива в качестве целевого значения, которое необходимо достичь во время экспериментов при работе анодно-оксидированного пленочного покрытия, составляющего камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания по настоящему изобретению. 5% улучшение расхода топлива представляет собой значение, которое может четко подтвердить улучшение расхода топлива без погрешностей из-за ошибок в измерениях и которое, путем повышения температуры выхлопного газа, может сократить время нагрева восстановительного катализатора окислов NO и может привести к снижению количества окислов NO. Задачей изобретателей было определение диапазона пористости для достижения этого целевого значения. График, приведенный на ФИГ.10, представляет собой взаимосвязь между улучшением расхода топлива, определенным изобретателями, и временем охлаждения на 40°C в испытании на охлаждение.
[0078] На основании результатов, полученных для времени охлаждения на 40°C, соответствующего сокращению расхода топлива на 8%, 5%, 2,5% и 1,3%, была построена аппроксимирующая кривая (квадратичная кривая). Время охлаждения на 40°C, соответствующее сокращению расхода топлива на 5%, согласуется со значением в 45 мс, определенным на ФИГ.9B.
[0079] Для того, чтобы построить корреляционную кривую взаимосвязи между испытанием на охлаждение и пористостью и взаимосвязи между микротвердостью по Виккерсу и пористостью были изготовлены испытательные образцы в условиях этапа анодирования (и в условиях этапа обработки по расширению пор для примеров осуществления изобретения), приведенных ниже в Таблице 4, с использованием девяти различных коэффициентов пористости для анодно-оксидированного пленочного покрытия, в соответствии с примерами с для сравнения 1-5 и Примерами осуществления изобретения 1-4. Результаты измерений толщины, пористости, микротвердости по Виккерсу и времени охлаждения на 40°C для анодно-оксидированного пленочного покрытия приведены в Таблице 5 для каждого испытательного образца.
[0080] При испытании на микротвердость по Виккерсу микротвердость по Виккерсу измерялась в середине поперечного сечения анодно-оксидированного пленочного покрытия, и в качестве значения микротвердости по Виккерсу было использовано среднее значение для пяти точек измерения на каждом испытательном образце при нагрузке измерения в 0,025 кг.
Таблица 4
TP
Условия этапа анодирования
Интенсивность отвода тепла (кал/с/см<sup>2</sup>)
Температура ванны (°C)
Максимальное напряжение (В)
Плотность тока (мА/см<sup>2</sup>)
Время обработки (ч)
Время обработки по расширению пор (мин)
Сравн. Пример. 1
2,6
0
50
10
2
-
Сравн. Пример. 2
1,0
10
50
30
1
-
Сравн. Пример. 3
1,6
5
100
30
2
-
Пример 1
1,6
5
135
30
2
-
Пример 2
2,4
-3
160
90
1
-
Пример 3
2,0
0
150
90
1
-
Пример 4
2,0
0
150
90
1
20
Сравн. Пример. 4
2,0
0
140
90
1
40
Сравн. Пример. 5
2,0
0
150
90
1
60
Материал основы
-
-
-
-
-
-
Таблица 5
TP
Измеренные значения для
Толщина пленочного покрытия (мкм)
Пористость (%)
Микротвердость по Виккерсу (HV 0,025)
Время охлаждения на 40°C (мс)
Сред. диаметр ячейки: d (нм)
Сред. диаметр поры: ϕ (нм)
ϕ/d
Сравн. Прим. 1
100
3,0
444
250
80
10
0,13
Сравн. Прим. 2
60
9,2
440
187,3
90
20
0,22
Сравн. Прим. 3
116
13,4
431
50,4
90
30
0,33
Пример 1
124
25,6
350
44,5
110
50
0,45
Пример 2
156
31,5
294
40,3
80
40
0,50
Пример 3
155
20,1
379
44,0
100
40
0,40
Пример 4
143
33,8
250
42,7
150
90
0,60
Сравн. Прим. 4
136
41,3
91
41,9
140
90
0,64
Сравн. Прим. 5
138
43,0
101
41,7
160
90
0,56
Материал основы
-
-
130
440
-
-
-
[0081] Для определения взаимосвязь между испытанием на охлаждение и пористостью были проведены эксперименты с использованием метода, показанного на ФИГ.9A, на испытательных образцах из примеров для сравнения 1-5 и примеров осуществления изобретения 1-4, результаты были нанесены на график, как показано на ФИГ.11, и для них была построена экстраполирующая кривая. На ФИГ.11 показана экстраполирующая кривая, время охлаждения на 40°C, соответствующее улучшению расхода топлива на 1%, 2% и 5% (110 мс для 1%, 80 мс для 2% и 45 для 5%), а также пороговое значение времени охлаждения на 40°C для алюминия как основного материала (440 мс).
[0082] Исходя из ФИГ.11 и Таблицы 5, пористость на пересечении 45 мс, что является пороговым значением времени охлаждения на 40°C, соответствующим 5% улучшению расхода топлива, и экстраполирующей кривой, для отдельных испытательных образцов, составляет 15%. Это значение устанавливается в качестве нижнего предела числового ограничения диапазона пористости анодно-оксидированного пленочного покрытия. Как видно из Таблицы 5, время охлаждения на 40°C превышает 45 мс для испытательных образцов в примерах для сравнения с 1 по 3, что подтверждает проблематичность достижения 5% улучшения расхода топлива с такими анодно-оксидированными пленочными покрытиями.
[0083] Микротвердость по Виккерсу и пористость испытательных образцов нанесены на график на ФИГ.12, что также дает соответствующую экстраполирующую кривую. Диапазон от 110 до 150 HV 0,025, представляющий собой пороговый диапазон твердости материалов на основе алюминия, показан серым цветом.
[0084] Исходя из ФИГ.12 и Таблицы 5, пористость на пересечении между экстраполирующей кривой и микротвердостью по Виккерсу 110 материала на основе алюминия составляет 40%. Это значение устанавливается в качестве верхнего предела числового ограничения диапазона пористости анодно-оксидированного пленочного покрытия. Как видно из ФИГ.12, микротвердость по Виккерсу анодно-оксидированного пленочного покрытия можно довести до значения от 110 до 400 HV 0,025, чтобы обеспечить пористость анодно-оксидированного пленочного покрытия в диапазоне от 15% до 40%.
[0085] На основе предыдущих результатов оптимальный диапазон пористости алюмита (анодно-оксидированного пленочного покрытия), сформированного на стенке камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, может быть установлен в диапазоне от 15% до 40%.
[0086] Кривая корреляции значения отношения ϕ/d в Таблице 5 и пористости приведена на ФИГ.13. Из этого рисунка можно понять, что диапазон отношения ϕ/d, соответствующий оптимальному диапазону пористости от 15% до 40%, составляет от 0,3 до 0,6. Когда значение ϕ/d находится в диапазоне от 0,3 до 0,6, а значение пористости меньше 15% или больше 40%, как в примерах для сравнения 3 и 5, нельзя сказать, что эти примеры являются оптимальными примерами анодно-оксидированного пленочного покрытия, формируемого в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания для изобретения, и, следовательно, оптимальный диапазон отношения ϕ/d устанавливается, как указано выше, вместе с вышеописанным оптимальным диапазоном пористости в качестве обязательного предварительного условия.
[0087] На ФИГ.14A-14C, 15A-15D, 16A и 16B приведены изображения растровой электронной микроскопии (РЭМ-фотографии) поперечных сечений примеров осуществления и примеров для сравнения. Так, на ФИГ.14A представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера для сравнения 1; на ФИГС.14B представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера для сравнения 2; на ФИГ.14C представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера для сравнения 3; на ФИГ.15A представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера осуществления изобретения 1; на ФИГ.15B представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера осуществления изобретения 2; на ФИГ.15C представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера осуществления изобретения 3; на ФИГ.15D представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера осуществления изобретения 4; на ФИГ.16A представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера для сравнения 4; а на ФИГ.16B представлена РЭМ-фотография поперечного сечения алюмита из примера для сравнения 5.
[0088] Из конкретных фотографий видно, что в примерах для сравнения поры недостаточно крупные, и из этих фотографий также можно подтвердить следующее: между ячейками нет достаточных зазоров (примеры для сравнения 1, 2 и 3), и полости слишком большие и/или ячейки недостаточно химически связаны друг с другом (примеры для сравнения 4 и 5). Напротив, для примеров осуществления изобретения можно сделать следующие заключения: ячейки образуются с полостями определенного размера внутри ячейки; у тройных точек между ячейками (в несвязывающей области) присутствуют полости определенного размера; и, поскольку эти полости не слишком большие, образуется связывающая область, в которой ячейки химически связаны друг с другом в точках или по боковым поверхностям.
[0089] Далее будут описаны эксперименты по определению взаимосвязи между максимальным напряжением и скоростью снижения температуры поверхности и результаты этих экспериментов. Изобретатели измерили скорость снижения температуры поверхности (время охлаждения на 40°C) в виде функции от максимального напряжения на испытательных образцах, подготовленных с использованием различного максимального напряжения на этапе анодирования, как показано в Таблице 6. Результаты этих измерений были нанесены на график, и по нанесенным на график экспериментальным значениям была выстроена экстраполирующая кривая, показанная на ФИГ.17.
Таблица 6
Условия на стадии обработки анодированием
Сред. толщина пленочного покрытия (мкм)
Скорость снижения температуры поверхности (мс/40°C)
Электролитическая ванна
Интенсивность отвода тепла (кал/с/см<sup>2</sup>)
Температура ванны (°C)
Плотность тока (мА/см<sup>2</sup>)
Длительность обработки (мин)
Максимальное напряжение (В)
10% серная кислота
1,9
0
150
30
42
95
64,1
150
30
50
106
62,4
90
60
110
199
49,5
90
60
116
199
50,1
90
45
103
159
55,5
90
100
137
252
41,1
20% серная кислота
90
60
128
186
45,0
90
60
133
170
44,0
[0090] Учитывая, что, исходя из Таблицы 6 и ФИГ.17, напряжение 130 В - это максимальное напряжение на пересечении значений, измеренных для скорости снижения температуры поверхности на отдельных испытательных образцах, и порогового значения в 45 (мс/40°C) для скорости снижения температуры поверхности, соответствующей улучшению расхода топлива в 5%, и что свойства остаются такими же превосходными, когда максимальное напряжение равно или выше 130 В, эти эксперименты обеспечивают основу для установки нижнего предела напряжения, применяемого на этапе анодирования, на уровне 130 В. Напряжение 200 В в качестве верхнего предела применяемого напряжения основывается на знании, что в области выше этих 200 В находится область плазменного анодирования.
[0091] Далее будут описаны эксперименты по определению взаимосвязи между длительностью обработки по расширению пор для анодно-оксидированного пленочного покрытия и скоростью снижения температуры поверхности и результаты этих экспериментов. Изобретатели провели эксперименты, чтобы определить взаимосвязь между длительностью обработки по расширению пор и скоростью снижения температуры поверхности. В частности, было осуществлено анодирование в области твердого алюмита и в области изобретения, как показано на ФИГ.4; каждое из полученных пленочных покрытий было подвергнуто обработке по расширению пор длительностью 0, 20 или 40 минут; для полученных анодно-оксидированных пленочных покрытий были измерены пористость и время снижения температуры поверхности. Ниже в Таблице 7 для каждого из испытанных образцов приведены условия этапа анодирования и этапа обработки по расширению пор и измеренные значения средней толщины пленочного покрытия, пористости, и скорости снижения температуры поверхности. График корреляции между длительностью обработки по расширению пор и пористостью приведен на ФИГ.18A, а график корреляции между длительностью обработки по расширению пор и скоростью снижения температуры поверхности приведен на ФИГ.18B. На ФИГ.19A-19C представлены изображения растровой электронной микроскопии (РЭМ-фотографии) поверхности пленочного покрытия для анодно-оксидированных пленочных покрытий, сформированных на этапе анодирования в области изобретения и подвергшихся обработке по расширению пор продолжительностью, соответственно, 0 минут (без обработки по расширению пор), 20 минут и 40 минут.
Таблица 7
Способ анодирования
Условия этапа анодирования
Условия этапа обработки по расширению пор
Средн. толщина пленочного покрытия (мкм)
Пористость (%)
Скорость охлаждения поверхности (мс/40°C)
Электролитическая ванна
Интенсивность отвода тепла (кал/с/см<sup>2</sup>)
Температура (°C)
Максимальное напряжение (В)
Плотность тока (мА/см<sup>2</sup>)
Длительность обработки (ч)
Кислота
Температура (°C)
Длительность обработки (мин)
Область изобретения
20°C серная кислота
1,9
0
130
90
60
5% фосфорная кислота
25
0
155
20,1
45
Область твердого алюмита
20°C серная кислота
2,6
0
50
10
120
5% фосфорная кислота
25
20
143
33,8
42
40
136
41,3
46
0
141
3,5
-
20
131
7,0
-
40
123
10,0
-
[0092] Согласно Таблице 7 и ФИГ.18A, итоговые пленочные покрытия, произведенные с использованием этапа анодирования в диапазоне изобретения, имеют пористость не менее 20%. Однако при проведении обработки по расширению пор в течение 40 минут пористость слегка превышает 40%, как видно из Таблицы 7 и ФИГ.18A и 18B, и, поскольку время снижения температуры поверхности также слегка превышает 45 мс, это показывает, что обработка по проведению пор желательно должна проводиться менее 40 минут.
[0093] Изображения растровой электронной микроскопии (РЭМ-фотографии) на ФИГ.19A-19C подтверждают следующее: размер пор недостаточен в пленочном покрытии на фотографии на ФИГ.19A, где обработка по расширению пор не проводилась, в то время как поры слишком велики в пленочном покрытии на ФИГ.19C (вследствие разрушения пористой структуры), где обработка по расширению пор проводилась в течение 40 минут; напротив, на ФИГ.18B, где обработка по расширению пор проводилась в течение 20 минут, пленочное покрытие обеспечено порами, а также обладает определенной плотностью, поскольку его ячейки связаны друг с другом.
x
[0094] Далее будут описаны эксперименты по оценке работы дизельного двигателя и результаты этих экспериментов. Изобретатели выполнили формирование алюмитного пленочного покрытия с соблюдением нижеописанных условий только на верхней поверхности поршня в камере сгорания двигателя и измерили характеристики двигателя, в частности, улучшение расхода топлива и изменение количества окислов NO.
3
[0095] Использованный здесь двигатель имеет следующие технические характеристики: вертикальный одноцилиндровый дизельный двигатель с прямым впрыском с водяным охлаждением, ϕ 78×80 (382 см), 5,1 кВт при 2600 об/мин. Алюмит имеет следующие технические характеристики: толщина пленки - 150 мкм (после герметизирующей обработки: обработки кипящей водой), пористость соответствует 15%. Обработанной алюмитом деталью была передняя часть (на поршне только со стороны камеры сгорания) верхней части дизельного поршня, и покрытие алюмитом не производилось на других деталях, выходящих в камеру сгорания, например, на головке цилиндра, клапанах и блоке цилиндра.
x
[0096] Были измерены три параметра, характеризующие работу двигателя, со следующими результатами: расход топлива повысился (улучшился) на 1,3%, дымность уменьшилась на 29%, а количество окислов NO уменьшилось на 4%.
[0097] По оценкам изобретателей, можно достичь примерно в 2,5 раза большего улучшения расхода топлива путем формирования такого же алюмитного пленочного покрытия по всей поверхности стенки по сравнению с формированием алюмитного пленочного покрытия только на верхней поверхности поршня из всех поверхностей стенок, выходящих в камеру сгорания дизельного двигателя. Кроме того, по оценкам изобретателей, можно ожидать увеличения улучшения расхода топлива примерно в 1,6 раза путем формирования такого же пленочного покрытия в дизельном двигателе, оборудованном нагнетателем, по сравнению с дизельным двигателем без нагнетателя (с естественным всасыванием) с прямым впрыском, описанным выше. Соответственно, 5% улучшения расхода топлива можно достичь путем формирования пленочного покрытия, являющегося структурным элементом изобретения, на всей камере сгорания дизельного двигателя с прямым впрыском, оснащенного нагнетателем.
[0098] Варианты осуществления изобретения были по отдельности описаны выше с использованием чертежей, но конкретные структуры не ограничиваются этими вариантами осуществления изобретения, и изобретение включает в себя варианты конструкции, производственные модификации и т.п., не отклоняющиеся от сущности изобретения.