СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИНИМАЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ПОРШНЕВЫХ МАШИНАХ-ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F02B77/02 

Изобретение относится к способам формирования поверхностных слоев деталей с заранее заданными триботехническими свойствами.

Известно, что в существующих двигателях внутреннего сгорания основные механические потери образуются в парах трения поршень-цилиндр и втулки-вкладыши коленчатого вала [1, 2]. При существующих технических нормах проектирования двигателей [1] и при традиционных материалах, используемых для изготовления деталей цилиндропоршневых групп двигателей и других деталей, двигатели имеют определенную величину механических потерь и следующие среднестатистические показатели надежности и ресурса [2, 3, 5]:

- механический кпд двигателей: дизелей 0,82-0,92; карбюраторных двигателей 0,73-0,89;

- интенсивность изнашивания: гильза цилиндра 1,1×10^-11-4,0×10^-12; шатунные и коренные шейки коленчатого вала 4,0×10^-11-1,8×10^-12; компрессионное кольцо 8,4×10^-10-2,5×10^-11;

- средний пробег до капитального ремонта двигателей автомобилей 120000-300000 км.

Двигатели в данном исполнении имеют высокие механические потери мощности и низкий ресурс, что является их существенным недостатком.

Одним из известных способов уменьшения интенсивности изнашивания двигателей и снижения механических потерь в них является применение синтетических масел, например "МОБИЛ1". При этом получаются следующие результаты [4]:

- механический кпд карбюраторных двигателей увеличивается до 0,93-0,94;

- интенсивность изнашивания гильзы цилиндра снижается до 2,4×10^-13; шатунных и коренных шейки коленчатого вала 8,9×10^-13; компрессионное кольцо 6,4×10^-13;

- средний пробег до капитального ремонта двигателей автомобилей - 800000-1200000 км.

Недостатком этого способа является то, что для поддержания двигателя в безотказном состоянии необходимо периодически менять и добавлять масло. При переходе на другие масла показатели надежности резко снижаются.

Еще одним методом снижения механических потерь двигателя является применение так называемых твердых смазок или слоистых модификаторов трения, наиболее употребительным из которых является MoS₂. Твердые смазки образуют на поверхности деталей пленку, обладающую антифрикционными свойствами. Данным способом достигается следующий результат [4, 6]:

- механический кпд карбюраторных двигателей увеличивается до 0,91;

- снижение интенсивности изнашивания деталей по сравнению с использованием обычного нефтяного моторного масла в 2 раза;

- средний пробег до капитального ремонта двигателей автомобилей 600000-800000 км.

Недостатками этого способа являются необходимость периодического возобновления твердой смазки и возможность при определенных условиях образования соединений серы на поверхности деталей, способных разъедать эту поверхность.

Третьим способом снижения механических потерь в двигателе является употребление в качестве присадок твердых веществ, таких как карбидов и нитридов бора, алмазов.

При применении алмазов детонационного синтеза, которые модифицируют поверхность, получены следующие результаты [7]:

- механический кпд карбюраторных двигателей увеличивается до 0,92;

- снижение интенсивности изнашивания деталей по сравнению с использованием обычного нефтяного моторного масла в 1,5-2 раза;

- средний пробег до капитального ремонта двигателей автомобилей 650000-900000 км.

Таким образом, из описания приведенных аналогов видно, что по таким характеристикам, как механический кпд двигателя, интенсивность изнашивания основных деталей, пробег до капитального ремонта, эти аналоги, хотя и дают увеличение ресурса двигателя, но не решают полностью задачу снижения механических потерь в двигателе до физически возможного минимума..

В качестве прототипа выбран способ снижения механических потерь в двигателе с применением синтетических масел [4 - 6, 8] ввиду наличия наивысшего механического кпд. В прототипе получаются следующие характеристики двигателя:

- механический кпд карбюраторных двигателей увеличивается до 0,93-0,94;

- интенсивность изнашивания гильзы цилиндра снижается до 2,4×10^-13; шатунных и коренных шейки коленчатого вала 8,9×10^-13; компрессионное кольцо 6,4×10^-13;

- средний пробег до капитального ремонта двигателей автомобилей 800000-1200000 км.

Как и предыдущие аналоги, прототип имеет те же недостатки - ограничение по снижению механических потерь двигателя и росту его ресурса, необходимость частой смены масла (1 раз за 5000 км пробега).

Однако в двигателестроении остро стоит задача обеспечения существенного повышения надежности деталей двигателей внутреннего сгорания всех типов и снятия механических потерь вследствие существенных затрат на ремонт и эксплуатацию двигателя. При этом двигатели должны иметь возможность работать на обыкновенных базовых нефтяных маслах, их заменителях или вообще без жидкой смазки.

Прототип не может удовлетворить требования существенного увеличения механического кпд двигателя до 0,97-0,99 и работы без постоянного присутствия жидкой смазки.

В основу изобретения поставлена задача создания способа минимизации механических потерь при трении деталей двигателя, при котором механический КПД двигателя увеличивается до 0,97-0,99; пробег до капитального ремонта двигателя составляет 3000000 км, а интенсивность изнашивания основных деталей не превышает значений 4×10^-14.

Технический результат - механический кпд двигателя 0,97-0,99; пробег до капитального ремонта двигателя 3000000 км; интенсивность изнашивания основных деталей двигателя не более чем 4×10^-14 достигается путем улучшения механических характеристик основного материала детали, использования для формирования поверхностного слоя минеральных материалов природного происхождения, обработки поверхностного слоя, позволяющей повысить триботехнические характеристики материала. При этом интенсивность изнашивания основных деталей двигателя прямо пропорционально связывается с величиной пробега до капитального ремонта: снижение интенсивности изнашивания деталей должно соответствовать отношению пробегов до капитального ремонта у традиционного двигателя - 150000 км и заданной величины 3000000 км, что дает соотношение 21-25 раз. При этом интенсивность изнашивания, например, гильз цилиндров должна составлять максимум 1,6×10^-13.

Поставленная задача решается тем, что в способе обеспечения минимальных механических потерь в поршневых машинах - двигателях внутреннего сгорания, поверхности деталей, составляющих основные пары трения в двигателях, обрабатывают контактной ультразвуковой установкой с мощностью не менее 1 кВт при режимах для чистового точения материала основы и с силой прижатия наконечника к обрабатываемой поверхности 20-80Н и амплитудой колебаний 20-40 мкм, на обработанной таким образом поверхности детали формируют слой покрытия из природных минеральных материалов с адгезионным числом в исходном состоянии не менее 700 и толщиной не менее 0,020 мкм, покрытие из природных минеральных материалов подвергают обработке ультразвуковой установкой при усилии прижатия наконечника 0-50 Н до получения свойств минерального материала поверхности, характеризуемых адгезионным числом не менее 1000.

Кроме того, детали, составляющие пары трения, покрывают одинаковыми минеральными материалами, а при формировании минерального покрытия на поверхности деталей подвод внешнего тепла не производят.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Поверхность детали подвергают пластическому деформированию в условиях объемного давления с использованием ультразвуковой обработки при режимах: мощность ультразвуковой установки не менее 1 кВт; частота не менее 22 кГц, усилие прижатия наконечника 20-80 Н; амплитуда колебаний наконечника перпендикулярно плоскости обрабатываемой поверхности 20-40 мкм; условия объемного давления при пластической деформации обеспечивают формой наконечника.

2. На поверхности детали формируют покрытие из природных минеральных материалов, отвечающих следующим требованиям: толщина не менее 0,020 мкм; адгезионное число (9) исходного материала - не менее 700;

3. Покрытие наносят без использования внешних источников тепла;

4. Сформированное покрытие подвергают обработке ультразвуковой установкой с такой же, как и в условии 1, мощностью, с усилием прижатия 0-50 Н, амплитудой колебаний наконечника 10-30 мкм. При этом следует обеспечить адгезионное число материала поверхностного слоя не менее 1000;

5. На поверхности сопряженных деталей наносят один и тот же минеральный материал.

Эффект устранения механических потерь достигается за счет следующих факторов:

1. Пластическая деформация основного материала повышает его прочностные характеристики и предотвращает возможность задиров при действующих нагрузках.

2. Формирование поверхностного слоя из природного минерального материала без нагрева обеспечивает сохранение имеющихся у этого материала характеристик в покрытии, в частности малой способностью к адгезии (характеризуемой адгезионным числом (9) по сравнению с обычными конструкционными сталями и подшипниковыми сплавами при одинаковых условиях. При этом для достижения минимума величины образующихся адгезионных связей покрытие из одного материала формируют на обеих трущихся поверхностях.

3. Повторная ультразвуковая обработка поверхности обеспечивает высокую чистоту поверхности при R_a не более 0,1 мкм, отсутствие волнистости и повышение механических характеристик материала контактирующей поверхности.

4. При повторной обработке адгезионное число данного материала повышается до 1000. Это соответствует тому, что при действующих в паре трения рабочих нагрузках прочность адгезионной связи на срез будет составлять не более 2-3 Н/мм², что и способствует минимальным потерям мощности. Получающийся коэффициент трения можно оценивать по отношению силы среза адгезионной связи к величине твердости поверхности [5].

Примеры конкретной реализации.

Пример 1. Детали двигателей. Поршневое компрессионное кольцо автомобиля ВАЗ: материал-чугун, глубина упрочненного слоя 0,5 мм (из них толщина минерального покрытия 0,025 мм), твердость поверхности скольжения НУ 1400, интенсивность изнашивания 3×10^-14. Поршень дизеля ЧН 16/17 из алюминиевого сплава: глубина упрочненного слоя 1,0 мм, из них минеральное покрытие 0,05 мм; твердость поверхности НВ_10/1000 180 интенсивность изнашивания поверхности поршня 4,6×10^-14. Шейка подшипника коленчатого вала: материал сталь 45; глубина упрочненного слоя 0,8 мм, из них минеральное покрытие 0,03 мм; твердость поверхности НВ 490, интенсивность изнашивания 3,8×10^-14.

Пример 2. Показатели механического кпд двигателей с деталями, обработанными заявляемым способом: автомобили ВОЛГА разных моделей - 0,987-0,99; автобусы "Икарус", двигатель "КАВА-МАМ" - 0,988; двигатель карьерного самосвала БЕЛАЗ-7519 - 0,982.

Пример 3. Автопарк, включающий 70 легковых машин марок ГАЗ, ВАЗ: общий пробег на 1 капитальный ремонт двигателя 3100000 км; за один год эксплуатации по причине износа в парке случился 1 капитальный ремонт двигателя вместо 35 при традиционном исполнении двигателей.

Приведенные примеры показывают, что заявленный способ позволяет снять механические потери в двигателях разных типов и повысить их надежность до предельного уровня при неизменных нормах их конструирования, что вызывает ряд эффектов в эксплуатации в виде снижения расхода топлива на величину высвобождающейся полезной мощности и общих затрат на ремонты, чего не достигается во многих других способах снижения механических потерь в двигателях.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С.Ордина и М.Г.Круглова. М.: Машиностроение, 1983, 375 с.

2. Гришкевич А.И. Автомобили. Теория. Минск, "Вышэйшая школа", 1986, 208 с.

3. Министерство автомобильного транспорта РСФСР. Положение о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного транспорта. М.: Транспорт. 1988. 78 с.

4. Г.Польцер, Ф.Майснер. Основы трения и изнашивания. М.: Машиностроение. 1984.

5. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчета на трение и износ. М. Машиностроение, 1977, 526 с.

6. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Книга 1 и 2. Под ред. И.В.Крагельского и В.В.Алисина. М.: Машиностроение, 1978.

7. Долматов В.Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза. Получение, свойства, применение. СПб, Издательство СПбГПУ, 2003, 344 с.

8. Кузнецов Е.С. Техническая эксплуатация автомобилей в США. М.: Транспорт. 1992. 352 с.

9. Лазарев С.Ю. Новая методика количественной оценки адгезионной способности минералов и других твердых тел. Обогащение руд 2001. №6. С.13-17.

Изобретение относится к способам формирования поверхностных слоев деталей с заранее заданными триботехническими свойствами. Способ обеспечения минимальных механических потерь в поршневых машинах - двигателях внутреннего сгорания, заключается в том, что поверхности деталей, составляющих основные пары трения в двигателях, обрабатывают по следующему общему технологическому процессу: поверхность детали обрабатывают контактной ультразвуковой установкой с мощностью не менее 1 кВт при режимах для чистового точения материала основы и с силой прижатия наконечника к обрабатываемой поверхности 20-80Н и амплитудой колебаний 20-40 мкм; на обработанной таким образом поверхности детали формируют слой покрытия из природных минеральных материалов с адгезионным числом в исходном состоянии не менее 700 и толщиной не менее 0,020 мкм; покрытие из природных минеральных материалов подвергают обработке ультразвуковой установкой до получения при усилии прижатия наконечника 0-50 Н до получения свойств минерального материала поверхности, характеризуемых адгезионным числом не менее 1000. При этом детали, составляющие пары трения, покрывают одинаковыми минеральными материалами, а при формировании минерального покрытия на поверхности деталей подвод внешнего тепла не производят. Изобретение позволяет снизить механические потери трущихся деталей, двигателя. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ обеспечения минимальных механических потерь в поршневых машинах - двигателях внутреннего сгорания, отличающийся тем, что поверхности деталей, составляющих основные пары трения в двигателях, обрабатывают контактной ультразвуковой установкой с мощностью не менее 1 кВт при режимах для чистового точения материала основы и с силой прижатия наконечника к обрабатываемой поверхности 20-80 Н и амплитудой колебаний 20-40 мкм, на обработанной таким образом поверхности детали формируют слой покрытия из природных минеральных материалов с адгезионным числом в исходном состоянии не менее 700 и толщиной не менее 0,020 мкм, покрытие из природных минеральных материалов подвергают обработке ультразвуковой установкой при усилии прижатия наконечника 0-50 Н до получения свойств минерального материала поверхности, характеризуемых адгезионным числом не менее 1000.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что детали, составляющие пары трения, покрывают одинаковыми минеральными материалами.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании минерального покрытия на поверхности деталей подвод внешнего тепла не производят.