СПОСОБ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02F3/10 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к методу теплоизоляции поршня двигателя внутреннего сгорания из легкого металла, предпочтительно алюминия или алюминиевого сплава на днище которого сформировано термозащитное покрытие.

Перспективные двигатели внутреннего сгорания ориентированы на большую мощность, что обуславливает жесткие требования к отдельным деталям двигателя. Это особенно оправдано в отношении дизельных двигателей с турбонаддувом, где термоциклические и механические нагрузки на поверхность головки поршня достигает уровня, вызывающего появление трещин и разрушений.

Для термоизоиляции днища поршня предлагаются различные решения. Предлагается (1) термоизолировать центральную часть днища поршня керамической накладкой, которая изготовлена в виде перевернутого конуса. При этом избыточное напряжение, действующие на керамический вкладыш поглощается слоем волокнистого металла, находящегося между вкладышем и поршнем.

Известен также способ (2) изготовления поршня с керамической термоизоляцией. На днище поршня наклеивается слой композита из неорганических металлических волокон и легкого сплава. Затем на слой композита наносится слой термостойкого сплава, а на него слой керамического материала.

Теплоизоляцию днища поршня (3) предлагают осуществлять методом механического соединения между керамическим вкладышем и поршнем. Механическое соединение осуществляется заполнением пор, имеющихся в керамической части, материалом поршня, происходящим в процессе формовки с подпрессовкой.

Предлагаемые авторами способы теплоизоляции с применением промежуточного слоя между металлом и керамикой, а также механического соединения осуществляется за счет заполнения металлом в поры керамического материала.

Несмотря на привлекательность описанных способов тем не менее из-за различия коэффициентов линейного расширения двух материалов, алюминия и керамики, приводит при нагреве и охлаждении к неизбежному разрушению керамической накладки.

Кроме того, эти способы довольно трудоемки.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, в котором для повышения теплостойкости и износостойкости днища поршня наносят теплозащитное покрытие методом погружения в суспензию фторопласта с последующей термообработкой (4).

Однако известный метод теплоизоляции поршня путем погружения днища в суспензию фторопласта имеет ряд недостатков, а именно: при температуре 210^о фторопласт плавится, при температурах 240-270^о переходят в вязкотекучее состояние, кроме того при покрытии образуются воздушные карманы в камере сгорания.

Механические свойства (в том числе и стойкость против растрескивания) и эрозии в интервале температур 170-200^оС резко ухудшаются. Перечисленные характеристики показывают, что такой материал в настоящее время не может применяться в силу того, что в камере сгорания двигателя поверхность днища поршня нагревается до 230^о, а многоступенчатое покрытие днища поршня фторопластом резко усложняет технологический процесс.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно: повышение стойкости против трещинообразования и эрозионной стойкости, а также упрощение технологии теплоизоляции.

Достигается это тем, что теплоизоляционное покрытие наносят на рабочие поверхности поршня методом дозированного налива на рабочую поверхность поршня суспензии вязкостью 65-70 с по ВЗ-4 на основе органосиликатного пространственно-армированного материала с последующей термообработкой.

При этом суспензия имеет следующий состав, мас.ч.

Органосиликатная
композиция (марки ОС-52-01
по ТУ 84-725-78) 50-52
Карбид кремния
(марки 64 с МЗН по ГОСТ
21445-75) 9-11
Каолиновая вата (марки
МКРР-130 ГОСТ 23619-79) 38-42
На фиг. 1 представлен продольный разрез поршня с теплозащитным пространственно-армированным покрытием по всему периметру, где: 1 теплозащитное покрытие, 2 корпус поршня; на фиг. 2 то же, на радиальной части днища и основании камеры сгорания, где: 1-2 теплозащитное покрытие, 3 корпус поршня; на фиг. 3 то же, в радиальной части днища поршня, где: 1 теплоизоляционное покрытие, 2 корпус поршня.

Термообработку проводят в терморадиационной-конвекционной печи при температуре 300-350^оС с временем пребывания 35-40 мин.

Предлагаемый способ обеспечивает возможность довольно просто термоизолировать различные части поршня (днище, камеру сгорания и т.д.), что позволяет оптимизировать процесс горения, уменьшить теплоотдачу к юбке поршня и повысить надежность работы.

Это обеспечивается применением для теплоизоляции материала с гибкой пространственно-армированной структурой, а именно суспензией на основе органосиликатной композиции, обладающей хорошей адгезией.

Увеличение (75-85 с по ВЗ-4) или уменьшение (50-60 с по ВЗ-4) вязкости не позволяет получить оптимальную толщину (0,8- 1,2 мм) покрытия по периметру рабочей поверхности поршня.

Уменьшение вязкости (50-60 с) приводит к двойному покрытию, что усложняет технологию теплозащиты, а увеличение вязкости (75-85 с) теплозащитное покрытие сползает с поверхности металла и на оформляется по поверхности металла покрытие.

Температурный интервал 300-350^о способствует наибольшей отгезии покрытия (1 балл) к алюминиевой поверхности поршня. Время пребывания 25-30 мин не достаточно для полимеризации теплозащитного покрытия, пребывание 45-50 мин увеличивает расход электроэнергии и не оптимизирует технологический процесс.

Пребывание покрытия на рабочей поверхности поршня 35-40 мин при температуре 300-350^оС является оптимальной для цементации теплозащитного покрытия на рабочей поверхности поршня.

При температурном интервале 200-250^оС покрытие полимеризуется и нарушаются теплофизические свойства, повышение температуры 400-450^оС не ухудшает теплофизические свойства покрытия, зато необходимо вдвое увеличивать расход электроэнергии.

Отклонение (мас. ч. ) в низкую или высокую сторону приводит к теплопроводности получения оптимального пространственно-армированного каркаса, ухудшению физико-механических свойств покрытия и к отклонению толщины покрытия от заданного (0,8-1,2 мм).

П р и м е р выполнения. Днище поршня обезжиривается любым из способов, принятых в лакокрасочной технологии, например, препаратом КМ-19 по ТУ 600-0209714-1-89.

Химический состав обезжиривающего препарата состоит из следующих компонентов, г/л:
Кальцинированная сода,
ГОСТ 5100-73 10
Триполифосфат,
ГОСТ 201-76 20
Триполифосфат натрия,
ГОСТ 13493-68 2
Сульфанол НП-3,
ТУ 84-509-74 0,02
Для приготовления обезжиривающей жидкости берут 20 г препарата КМ-19 по ТУ 600-0209714-1-89, растворяют в нагретой (50-60^о) проточной воде. Окунают поршень в обезжиривающий раствор и выдерживают 5-6 мин. Далее промывают в циркулирующей проточной воде нагретой до 60-70^оС. После промывки высушивают при температуре 110^оС в течение 4-5 мин, далее охлаждают до температуры 20-30^оС.

Теплоизоляционную композицию получают следующим образом.

Берут органосиликатную композицию марки ОС-52-01 по ТУ 84-725-78 со следующими физико-механическими свойствами:
Теплостойкость, ^оС
Длительно До 1000
Кратковременно До 3000
Диапазон рабочих
температур 60-600
Стойкость к резкому перепаду температур, от -60-500,
Циклы До 5
Коэффициент теплопро-
водности Вт/ (м К) 0,3-0,5
Твердость по прибору
М-3, усл.ед. 0,5-0,7
Прочность при изгибе
по прибору ШТ-1, мм 3-10
Прочность при ударе
по прибору У-2, кгс.см. 40-50
Адгезия к металлу по
методу решетчатых
надрезов, баллы (по
ГОСТ 15140-69) 1-2
300 ч контакта с 3%-ным
растворами КСl и NaCl
по удельному объемному
сопротивлению (в Ом.см) 10¹¹
300 ч контакта с 0,5%-ными
растворами НCl и H₂SO₄
по удельному объемному
сопротивлению (в Ом.см) 10⁶
Вата каолиновая ГОСТ 23619-79 марки МКРР-130 мультикремнеземистая
Массовая доля Al₂O+SiO₂ прокаленного вещества МКРР-130 не более 51.

Термостойкость при средней температуре 600±25^оС. Теплопроводность 0,16 Вт/(МК)
Карбид кремния SiC шлифованный из искусственных и природных материалов по ГОСТ 21445-75. Размер зерна от 5 до 3 мкм.

Для получения теплозащитной суспензии берут, мас.ч. 50-52 органосиликатной композиции марки ОС-52-01, добавляют в композицию 9-11 карбида кремния марки 64 с МЗН и каолиновой воды марки МКРР-130 в пределах 38-42.

Перемешивают полученную суспензию любым из способов, например валковой мельницей, до полного перемешивания по всему объему. Полученная суспензия вязкостью 60-70 с по ВЗ-4 по ГОСТ 9070-75. Армирующим компонентом в суспензии является каолиновая вода, которая создает пространственный каркас.

Теплоизоляционная пространственно-армированная суспензия на основе органосиликатной композиции наносится методом дозированного налива на днище поршня любой конфигурации толщиной 0,8-1,2 мм.

Для обеспечения дозированного налива и получения необходимой толщины покрытия (0,8-1,2 мм) по всему периметру можно использовать дозатор марки 6,035 АФ-20-2Ж (и ему подобные-весовые, автоматические, электронные), предназначенный для дозировки заранее заданными дозами компонентов формовочной смеси при работе со смесителем в смесеприготовительных отделениях литейных цехов сходных по технологическим процессам производствах. Этот дозатор может дозировать и суспензию т.е. заливать заданную порцию суспензии.

После налива суспензии на заданную рабочую поверхность днища поршня, при необходимости, поршень с помощью манипулятора поворачивают в двух или трех пространственных измерениях с целью теплоизоляции заданной поверхности и получения оптимальной толщины теплоизоляции 1,2-0,8 мм. Ввиду высокой степени испарения летучих компонентов, фиксация толщины теплоизоляции происходит в течение 20-30 с, при этом подтеки не наблюдаются.

Покрытие на поршне термообрабатывается в терморадиационной-конвекционной печи при температуре 300-350^оС с временем пребывания 35-40 мин.

Предлагаемый способ обеспечивает хорошую адгезию покрытия, предупреждает возникновение и распространение микро- и макротрещин по кромке, предотвращает действие термоциклических и механических нагрузок; позволяет оптимизировать процесс горения.

Способ теплоизоляции рабочей поверхности поршня двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения: на рабочую поверхность поршня теплоизоляционное покрытие наносят методом дозированного налива суспензии на основе органосиликатного материала вязкостью 65 - 75 с по ВЗ-4 следующего состава, мас. ч.: органосиликатная композиция 50-52, карбид кремния 9 - 11, каолиновая вата 38 - 42. После нанесения проводят термообработку в терморадиационной конвекционной печи при температуре 300 - 350^oС в течение 35 - 40 мин. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. СПОСОБ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ из алюминия и его сплавов, включающий нанесение теплоизоляционного покрытия на рабочие поверхности с последующей термообработкой, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения стойкости против трещинообразования и эрозионной стойкости, покрытие наносят путем дозированного налива на рабочую поверхность поршня суспензии вязкостью 65 - 70 с по ВЗ-4 пространственно-армированного органосиликатного материала следующего состава, мас.ч.:
Органосиликатная композиция (марки ОС-52-01 по ТУ 84-725-78) - 50 - 52
Карбид кремния (марки 64 с МЗН по ГОСТ 21445-75) - 9 - 11
Каолиновая вата (марки МКРР-130 ГОСТ 23619-79) - 38 - 42
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку проводят в терморадиационной конвекционной печи при 300 - 350^oС в течение 35 - 40 мин.