СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИАДГЕЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ ВО ВПУСКНОЙ СИСТЕМЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF PRODUCING ANTIADHESION COATING IN EXHAUST SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к способам получения антиадгезионных покрытий на металлических поверхностях и может быть использовано для предотвращения образования смолистых отложений во впускной системе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобильной техники.
Отрицательное влияние отложений, образующихся во впускной системе ДВС с искровым зажиганием, выражается в досрочной замене двигателей по причине их неисправности.
Известен способ получения полимерного покрытия на металлических поверхностях путем обработки их обезжиривающим агентом, сушки при 20-200°С, нанесения антифрикционного состава, представляющего собой 0,1-10,0%-ный раствор азотсодержащих производных перфторполиоксаалкилен-карбоновых и/или -сульфокислот в органическом растворителе, и термообработки покрытия при 20-200°С в течение 0,5-1,5 ч (RU 2139902 С1, кл. C09D 127/12, 20.10.1999). В качестве органического растворителя используют трифторхлорэтилен, перфтордекалин, полифторалканы и их смеси со спиртами.
Наиболее близким аналогом предложенного технического решения является способ получения антиадгезионного покрытия на формообразующей металлической оснастке зарядов ракетного двигателя из смесового твердого топлива путем нанесения на очищенную и обезжиренную поверхность оснастки методом распыления, окунания или кистевым эпилама «Эфрен-1», представляющего собой раствор перфторполиэфирокислоты 6МФК-180 в смеси 1,2-дифтортетрахлорэтана и 1,2,2-трифтортрихлорэтана при их массовом соотношении 4:1. Покрытие наносят в 2-5 слоев с выдержкой между слоями в течение 5-15 мин при температуре 15-35°С (RU 2228345 С1, кл. C09D 127/12, 2004).
Недостатком известных способов является то, что используемые в них составы на основе фторорганических соединений не растворимы в бензинах и не образуют с ними устойчивых эмульсий, поэтому процесс получения антиадгезионных покрытий на деталях впускной системы двигателя внутреннего сгорания через рабочую среду (бензины) невозможен. Для антиадгезионной обработки впускной системы ДВС указанными составами ее необходимо разобрать и обработать каждую деталь в отдельности, что значительно усложняет технологию получения антиадгезионных покрытий на основе фторорганических соединений.
Техническим результатом изобретения является разработка способа получения антиадгезионных покрытий на деталях впускной системы ДВС через рабочую среду (бензины) без ее демонтажа, уменьшение образования низкотемпературных отложений во впускном тракте и повышение надежности работы двигателя.
Данный результат достигается тем, что в способе получения антиадгезионного покрытия на металлических поверхностях путем нанесения антиадгезионного состава, содержащего фторорганическое соединение, в состав дополнительно вводят диспергатор - неионогенное поверхностно-активное вещество, а в качестве фторорганического соединения используют эфиры перфторполиэфирокислот с молекулярной массой 1200-1400 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Эфиры перфторполиэфирокислот
75-85
Диспергатор
15-25
и нанесение состава осуществляют через рабочую среду - бензин - в течение 1-3 ч при расходе состава 1-5% от массы бензина.
Отличительной особенностью предложенного способа является использование в антиадгезионном составе эфиров перфторполиэфирокислот с молекулярной массой 1200-1400 и диспергатора - неионогенного поверхностно-активного вещества - в заявленном соотношении компонентов, что позволяет получить устойчивые коллоидные растворы с бензином. Это дает возможность наносить антиадгезионные покрытия на поверхности элементов впускной системы ДВС через рабочую среду - бензин - без ее демонтажа, уменьшить образование низкотемпературных отложений во впускном тракте, что позволит повысить надежность работы двигателя.
Введение эфиров перфторполиэфирокислот менее 75 мас.% и диспергатора менее 15 мас.%, а также использование антиадгезионного состава в количестве менее 1% от массы топлива не позволяет получить покрытия с высокими антиадгезионными свойствами, что не дает возможности существенно уменьшить образование низкотемпературных отложений во впускном тракте ДВС. Введение эфиров перфторполиэфирокислот более 85 мас.%, диспергатора более 25 мас.%, а также использование состава более 5% от массы топлива нецелесообразно, так как дальнейшего усиления антиадгезионного эффекта не происходит. Продолжительность обработки впускного тракта ДВС антиадгезионным составом 1-3 ч установлена экспериментальным путем и является оптимальной.
1
9
Эфиры перфторполиэфирокислот с молекулярной массой 1200-1400 получают путем этерификации фторангидридов перфторполиэфирокислот (ТУ 1229-027-27992970-01) алифатическими спиртами ряда C-C при их молярном соотношении 1:1,1 и температуре 45-50°С по схеме:
F
n
2n+1
F
n
2n+1
RCOF+CHOH→RC(О)OCH, где n=1-9.
3
Данные соединения представляют собой бесцветные жидкости с вязкостью 600-1500 сСт, плотностью 1620-1810 кг/м и температурой застывания +36-(-65)°С. Они термостабильны до температуры 250°С, не горючи, взрыво- и пожаробезопасны и не токсичны (4 класс опасности).
7
17
В качестве диспергатора используют неионогенные ПАВ: неонолы (оксиэтилированные моноалкилфенолы на основе триммеров пропилена) марок АФ 9-4, АФ 9-6, АФ 9-10, АФ 9-12; синтамид-5к (смесь полиоксиэтилированных жирных кислот кокосового масла фракции С-C); ОП-4, ОП-10 (полиэтиленгликолевые эфиры алкилфенолов); проксанолы (блоксополимеры этилен- и пропиленоксидов); проксамины (блоксополимеры этилен- и пропиленоксидов, полученные в присутствии этилендиамина) и др.
Для приготовления антиадгезионного состава эфиры перфторполиэфирокислот с молекулярной массой 1200-1400 смешивают в течение 15-20 мин с диспергатором - неионогенным ПАВ - при заявленном соотношении компонентов.
Способ осуществляется следующим образом.
Приготовленный состав тщательно перемешивают в течение 30-40 мин с бензином (ГОСТ 2084-77 и ГОСТ Р 51105-97) при расходе состава 1-5% от массы топлива и заливают в топливный бак автомобиля. Обработку впускной системы производят в течение 1-3 ч (в зависимости от объема ДВС) на холостом ходу.
Испытания проводили с использованием квалификационного метода оценки склонности автомобильных и авиационных бензинов к образованию отложений во впускной системе двигателя, утвержденного решением ГМК №23/1-78 от 17.05.1978 г.
Метод основан на использовании одноцилиндровой моторной установки УИТ-65, оборудованной дополнительным подогреваемым впускным патрубком, в который устанавливается контрольная или опытная пластина. Склонность бензина к образованию отложений оценивают по количеству отложений, образующихся на пластине за время испытания, при работе установки УИТ-65 в режиме, регламентируемом методикой испытаний. Количество отложений на пластине определяют в результате ее взвешивания до и после испытания по формуле:
2
1
q=Q-Q,
где q - количество отложений, мг;
2
Q - масса пластины после испытания, мг;
1
Q - масса пластины до испытания, мг.
Контрольная и опытная пластины представляют собой одинаковые листы из дюралевой фольги толщиной 0,1 мм размером 445×105 мм, свернутые с помощью специальной оправки в трубы, соответствующие внутреннему диаметру впускного патрубка. Перед началом каждого испытания и после его завершения производили фотографирование пластин с использованием цифровой фотокамеры для дальнейшего компьютерного анализа полученных снимков. Перед обработкой опытных пластин антиадгезионными составами по предложенному способу была проведена серия испытаний по накоплению отложений на контрольной (необработанной) пластине с целью получения данных для сравнения.
Пример 1. Установку УИТ-65 запускали и прогревали в течение 20-30 мин до установления следующего режима испытания:
- частота вращения коленчатого вала - 900 об/мин;
- температура воздуха на входе в карбюратор - 50°С;
- температура топливовоздушной смеси на входе во впускной патрубок - 60°С;
- температура топливовоздушной смеси на входе в двигатель - 130°С;
- расход топлива - 1,2 кг/час;
- масса испытуемого образца бензина - 1,5 кг.
После прогрева установку останавливали, отсоединяли крышку впускного патрубка, с помощью оправки в патрубок вставляли предварительно взвешенную опытную пластину, после чего к патрубку присоединяли крышку.
В неэтилированный бензин марки АИ-80 в количестве 5% от массы топлива был введен следующий состав: метиловые эфиры перфторполиэфирокислот с молекулярной массой 1200-75 мас.%, неонол АФ 9-4 - 25 мас.%. После тщательного перемешивания полученную смесь залили в топливный бачок установки, включили подачу смеси в двигатель и проводили испытание в течение 1 ч. После остановки двигателя из впускного патрубка извлекли опытную пластину, сушили ее феном в течение 10-15 мин, а затем оставили на сутки для окончательной сушки при комнатной температуре. По окончании испытания произвели взвешивание пластины и визуальную оценку отложений на ней. Количество смолистых отложений подсчитывали по указанной выше формуле.
Пример 2. Обработка пластины проводилась, как в примере 1, следующим составом: бутиловые эфиры перфторполиэфирокислот с молекулярной массой 1300 - 80 мас.%, ОП-10 - 20 мас.%. Расход состава - 2,5% от массы топлива. Время обработки - 2 ч.
Пример 3. Обработка пластины проводилась, как в примере 1, следующим составом: н-нониловые эфиры перфторполиэфирокислот с молекулярной массой 1400 - 85 мас.%, синтамид-5к - 15 мас.%. Расход состава - 5% от массы топлива. Время обработки - 3 ч.
Пример 4. Обработка пластины проводилась, как в примере 1, следующим составом: метиловые эфиры перфторполиэфирокислот с молекулярной массой 1000 - 90 мас.%, неонол АФ 9-10 - 10 мас.%. Расход состава - 0,5% от массы топлива. Время обработки - 0,5 ч.
Пример 5. Обработка пластины проводилась, как в примере 1, следующим составом: бутиловые эфиры перфторполиэфирокислот с молекулярной массой 1600 - 70 мас.%, синтамид-5к - 30 мас.%. Расход состава - 5,5% от массы топлива. Время обработки - 3,5 ч.
Пример 6. Обработку контрольной пластины неэтилированным бензином АИ-80 проводили в пять этапов с целью выявления динамики накопления отложений на пластине. В процессе этих испытаний после каждого опыта определяли количество отложений на пластине, после чего, не удаляя отложений, проводили следующее испытание.
Результаты испытаний по 6 примерам представлены в таблице 1.
Контроль наличия покрытия на поверхностях пластин проводился по изменению краевого угла смачивания (θ) капли масла, а стойкость покрытия определялась по изменению угла θ (Δθ) в зависимости от количества промывок (ГОСТ 7934.2-74. Масла часовые. Метод определения краевого угла смачивания).
Допустимой величиной изменения краевого угла смачивания считается уменьшение его величины от первоначальной не более чем на 20% (Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. - М.: Химия, 1976).
Результаты испытаний представлены в таблице 2.
Использование предложенного способа позволит получать антиадгезионные покрытия на деталях впускной системы двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием без ее демонтажа, уменьшить количество отложений во впускном тракте и повысить надежность работы двигателя.