двигатель внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, имеющий камеру сгорания, ограниченную деталями с двухслойным теплоизолирующим покрытием, отличающийся тем, что первый слой покрытия выполнен из многофазного кристаллического пористого материала, а второй слой покрытия, обращенный к камере сгорания, выполнен в виде сплошной пленки из тугоплавкого материала.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что первый слой покрытия, имеющий толщину 0,1-0,3 мм, содержит твердые включения фазы -Al₂O₃, диспергированные в матрице из фазы -Al₂O₃ и соединениях муллита 3Al₂O₃SiO₂.

3. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что толщина стенок между соседними порами в первом слое покрытия составляет 0,18-0,22 их радиуса.

4. Двигатель по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что второй слой покрытия в виде пленки выполнен толщиной 2-20 мкм из материала со степенью черноты не менее 0,8 в интервале рабочих температур.

5. Способ изготовления двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, заключающийся в том, что перед сборкой двигателя на поверхности его деталей, образующих камеру сгорания, сначала наносят первый слой покрытия, а затем на него наносят второй слой покрытия, отличающийся тем, что первый слой покрытия наносят путем анодно-катодно-микродугового оксидирования, а второй слой покрытия наносят в виде пленки методом ионного осаждения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности, двигателестроению, а более конкретно, к деталям поршневого двигателя внутреннего сгорания, омываемым горячими газами и имеющим поверхностные покрытия.

Известен, являющийся аналогом данного двигателя, двигатель внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, у которого тепловая изоляция деталей, ограничивающих камеру сгорания, выполнена путем нанесения на их поверхности, омываемые горячими газами, однослойные покрытия из керамики или огнеупорных окислов металлов. Слой наносят плазменным напылением (патент США N 4074671, кл. 123-191, опубл. 1978 г.).

Однако в известном двигателе возникают трудности в связывании материала покрытия с материалом деталей, теплоизоляционный слой имеет тенденцию трескаться и отслаиваться при высоких напряжениях, какие имеют место при работе двигателя внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, у которого поверхность камеры сгорания выполнена с многослойным керамическим покрытием, наносимым плазменным напылением (заявка Японии N 61-268850, кл. F 02 F 3/00, опубл. 1986 г.).

В известном двигателе, хотя и уменьшаются потери тепла в системе охлаждения, но не достигаются высокие КПД двигателя и ресурс работы его деталей вследствие недостаточных теплоизоляционных свойств покрытий и недостаточно качественной адгезии их к поверхностям деталей, высокого уровня термических напряжений, возникающих при работе двигателя, и недостаточного теплового излучения от деталей к рабочему телу.

В качестве наиболее близкого аналога данного двигателя принят двигатель внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, имеющий камеру сгорания, ограниченную деталями с двухслойным теплоизолирующим покрытием (патент США N 4495907, кл. В 32 В 15/04, опубл. 1985 г.).

В известном двигателе, как и в вышеописанных аналогах, не достигаются высококачественное связывание внутреннего слоя покрытия с поверхностями деталей и наилучшие теплоизоляционные свойства вследствие свойств используемых материалов и особенностей их взаимодействия с материалом деталей двигателя. Кроме того, это связано с тем, что используемое изотермическое напыление покрытия имеет весьма существенный недостаток - низкую температуру пламени, а для обеспечения удовлетворительной адгезии покрытия к поверхностям требуется специальная предварительная обработка этих поверхностей (Самсонов Г.В. и Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия. М.: Металлургия, 1973, с. 117- 118). Следствием отмеченного являются недостаточно высокие КПД и ресурс работы двигателя и повышенная стоимость его изготовления.

В качестве наиболее близкого аналога предлагаемого способа изготовления двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом принят способ изготовления двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, заключающийся в том, что перед сборкой двигателя на поверхности его деталей, образующих камеру сгорания, сначала наносят первый слой покрытия, а затем на него наносят второй слой покрытия (патент США N 4495907, кл. В 32 В 15/04, опубл. 1985).

Используемый при реализации известного способа метод плазменного напыления покрытия на поверхности деталей двигателя, образующих его камеру сгорания, не обеспечивает ни достаточно качественную адгезию слоев покрытия к поверхностям деталей, ни прочную связь слоев покрытия между собой, ни качественное выполнение защитной функции со стороны наружного слоя по отношению к внутреннему слою. В литературе также отмечается трудоемкость и нетехнологичность рассматриваемого метода, а также недостаточная работоспособность двигателя внутреннего сгорания, изготовленного с его использованием. Последнее особенно касается деталей, двигателей, изготавливаемых из алюминиевых сплавов (см., например, книгу Никитин М.Д. и др. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей. Л.: Машиностроение, 1977, стр.70, 160).

Техническим результатом предложенных изобретений является разработка двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом и способа изготовления двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, при совместной реализации которых достигалось бы уменьшение потерь тепла, образующегося при сгорании топлива, в охлаждающую среду и повышение КПД двигателя при одновременном повышении ресурса его работы за счет усовершенствования конструкции покрытия, наносимого на поверхности деталей, образующих камеру сгорания, путем использования двух или нескольких его слоев, выбора материала этих слоев и методов их нанесения и максимального использования положительных свойств, вносимых каждым из этих слоев и каждым из используемых методов их нанесения, в отношении повышения теплоизоляционных качеств, снижения термических напряжений, повышения прочности и снижения стоимости изготовления при их совместной реализации, а также использования возникающих при этом новых свойств.

Данный технический результат в части двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом достигается за счет того, что в двигателе внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, имеющем камеру сгорания, ограниченную деталями с двухслойным теплоизолирующим покрытием, согласно изобретению первый слой покрытия выполнен из многофазного кристаллического пористого материала, а второй слой покрытия, обращенный к камере сгорания, выполнен в виде сплошной пленки из тугоплавкого материала, а также за счет того, что первый слой покрытия, имеющий толщину 0,1 - 0,3 мм, содержит твердые включения фазы -Al₂O₃, диспергированные в матрице из фазы -Al₂O₃ и соединениях муллита 3Al₂O₃2SiO₂ и кроме того, за счет того, что толщина стенок между соседними порами в первом слое покрытия составляет 0,18 - 0,22 их радиуса, и за счет того, что второй слой покрытия в виде пленки выполнен толщиной 2 - 20 мкм из материала со степенью черноты не менее 0,8 в интервале рабочих температур.

Данный технический результат в части способа достигается за счет того, что в способе изготовления двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, заключающемся в том, что перед сборкой двигателя на поверхности его деталей, образующих камеру сгорания, сначала наносят первый слой покрытия, а затем на него наносят второй слой покрытия, согласно изобретению первый слой покрытия наносят путем анодно-катодно-микродугового оксидирования, а второй слой покрытия наносят в виде пленки методом ионного осаждения.

При такой конструкции двигателя, изготовленного с помощью предложенного способа, благодаря использованию такого покрытия, наносимого на поверхности деталей, образующих камеру сгорания, в сочетании с использованием при этом упомянутых материалов для них и совместным использованием упомянутых методов нанесения первого (внутреннего) и второго (наружного) слоев достигается повышение теплоизоляционных качеств при интенсивном тепловом излучении от деталей к рабочему телу, повышение прочности каждого из слоев и покрытия в целом, снижение термических напряжений в деталях, следствием чего является повышение КПД двигателя при одновременном повышении ресурса его работы. Достигается также снижение стоимости изготовления деталей.

На фиг. 1 показана принципиальная схема предложенного двигателя внутреннего сгорания, на фиг. 2 - двухслойное покрытие, наносимое на поверхности деталей двигателя, образующих его камеру сгорания (в увеличенном масштабе).

Двигатель содержит гильзу 1 цилиндра с внутренней поверхностью 2, поршень 3 с днищем 4 и боковой поверхностью 5, на которой выполнены канавки 6 для компрессионных колец, головку 7 цилиндра с впускным 8 и выпускным 9 каналами и с торцевой поверхностью 10, обращенной к днищу поршня, впускной 11 и выпускной 12 клапаны, установленные в головке цилиндра. Камера сгорания 13 в данном примере выполнения двигателя ограничена поверхностью днища поршня, внутренней поверхностью верхнего пояса гильзы, торцевой поверхностью головки, обращенной к днищу поршня, поверхностями тарелок 14 и 15 соответственно впускного 11 и выпускного 12 клапанов. Поверхности деталей, образующих камеру сгорания 13, выполнены с покрытием, состоящим в рассматриваемом примере из двух слоев 16 и 17. Первый, внутренний, слой 16 нанесен на поверхности деталей двигателя и выполнен из многофазного материала ячеистой глобулярной кристаллической структуры, имеющего теплопроводность 0,09 - 0,18 Вт/ мград и состоящего из твердых включений высокопрочной фазы -Al₂O₃, распределенной в матрице из -Al₂O₃ и соединениях муллита 3Al₂O₃2SiO. Толщина первого слоя составляет 0,1- 0,3 мм. Имеющиеся в первом слое поры усиливают его теплоизоляционный эффект. Радиус пор выбирается в зависимости от задаваемой высоты выталкивания топлива и смазочного материала из поры (капилляра), плотности продуктов сгорания и их паров и других факторов и составляет 0,075 - 0,2 мм. Установлено, что для обеспечения наибольшего теплоизоляционного эффекта толщина стенок между соседними порами составляет 0,18 - 0,22 радиуса поры. При величинах этого отношения меньше 0,18, и увеличении размера ячеек и при величинах этого отношения больших 0,22, обуславливающих усиление сплошности структуры, отмечено снижение упомянутого эффекта. Межосевое расстояние пор составляет 0,18 - 0,48 мм при толщине стенки между соседними порами 0,015 - 0,4 мм. Многочисленными экспериментами установлено, что наилучшие теплоизоляционные свойства первого слоя с учетом его прочностных характеристик достигаются при содержании фазы -Al₂O₃, -Al₂O₃ и соединений муллита, соответственно, 35 - 40%, 45 - 50% и остальное до 100% и общей толщине рассматриваемого первого слоя 16 покрытия от 0,1 до 0,3 мм. Первый слой 16 может содержать и другие фазы, например -Al₂O₃ и Al₃O₄ в количестве 7-15%.

Второй слой 17 покрытия, обращенный к камере сгорания, выполнен в виде сплошной пленки из тугоплавкого металла равномерной толщины, имеющего степень черноты не менее 0, 80 в интервале рабочих температур. Толщина слоя 17 составляет 2 - 20 микрон. В качестве материала для этого слоя используются кристаллиты карбида титана TiC размером 200-2000 , с мелкозернистой структурой и низкой теплопроводностью.

В качестве второго слоя, а также последующих слоев в случае многослойного покрытия могут использоваться комбинации TiC + TiN, TiC + TiN + Al₂O₃ и др. , при этом процентное содержание компонентов определяется исходя из необходимости получения заданных теплоизоляционных и прочностных свойств покрытия.

Приповерхностная зона слоя 16, обращенная к слою 17, кроме упомянутых фаз и соединений муллита, содержит также ионы титана и углерода, проникающие в эту зону при нанесении слоя 17. Это обстоятельство является следствием совместного использования выбранных материалов для первого и второго слоев покрытия и методов их нанесения.

При работе двигателя внутреннего сгорания наличие упомянутого двухслойного покрытия обеспечивает уменьшение отвода тепла от деталей двигателя в охлаждающую среду и в то же время способствует увеличению доли теплового излучения от деталей к рабочему телу. При этом повышается КПД двигателя и одновременно снижается температура его деталей. Дополнительный эффект, вызванный совместным использованием двух упомянутых слоев 16 и 17, состоит, во-первых, в том, что слой 17 в виде сплошной тонкой пленки равномерной толщины в условиях работы двигателя успешно выполняет защитные функции по отношению к пористым ячейкам слоя 16, не нарушая оптимальную геометрию пор. Следствием этого является максимальное использование теплоизоляционных качеств, которыми обладает слой 16.

Кроме того, проникновение ионов титана и углерода в приповерхностную зону слоя 16 обеспечивает качественную адгезию слоя 17 к слою 16 по сравнению с адгезией слоя 17 (в случае однослойного покрытия) или внутреннего слоя покрытия к поверхностям деталей двигателя.

Предлагаемый способ изготовления двигателя с уменьшенным теплоотводом реализуется следующим образом. Перед сборкой двигателя сначала на поверхности его деталей (из алюминиевых сплавов, черных или легированных металлов с предварительно нанесенным на их поверхность слоем из алюминиевых сплавов) с использованием метода анодно-катодного микродугового оксидирования наносят первый, внутренний слой покрытия. Этот метод, предусматривающий проведение электрохимического микроплазменного процесса, описан в литературе (см., например, Республиканский научно-технический семинар "Анод 88", 16 февраля 1988 г. Тезисы докладов, г.Казань, 1988 г., с. 73 - 82). При использовании его в процессе реализации способа изготовления двигателя последовательно каждую из упомянутых выше его деталей, погружают в электролитическую ванну, наполненную электролитом, состоящим из основания - 1-10% раствора гидрата окиси калия по ГОСТ 9285 -78 и химического реактива - 1-10% раствора стекла натриевого жидкого Na₂SiO₃ по ГОСТ 13078-81. Процесс, в котором деталь является анодом, а ванна куда она погружена - катодом, ведут при температуре электролита 303-333K, при пульсирующем электрическом токе частотой 50 Гц, напряжением 400-600 В, поверхностной плотности тока 5-30 А/дм². Соотношение катодного и анодного токов находится в пределах 1,0-1,3. Продолжительность процесса зависит от толщины наносимого покрытия и составляет 60-200 мин. Варьированием указанных режимов, в частности, соотношения катодного и анодного токов, напряжения, плотности тока можно изменить, например, количественное содержание и соотношение фаз первого слоя покрытия, расположение и размеры пор и толщины разделяющих их стенок и, следовательно, управлять получением слоя с необходимыми теплофизическими и физикомеханическими свойствами.

В таблице 1 приведены примеры, иллюстрирующие изобретение в части нанесения первого, внутреннего, слоя на поверхности деталей двигателя, образующих его камеру сгорания.

Установка для реализации анодно-катодного микродугового метода нанесения покрытия содержит источник питания и контрольно-измерительные приборы, ванну и систему крепления деталей, защитное ограждение. Источник питания, состоящий из конденсатора, поставленного на фазное напряжение сети и включенного последовательно с нагрузочным сопротивлением, обеспечивает режим попеременного чередования полупериодов напряжения положительной и отрицательной полярностей с разными амплитудными значениями, которые могут изменяться по величине с ростом покрытия и изменения его сопротивления.

В результате нанесения на поверхности деталей первого слоя покрытия с использованием описанного электрохимического микроплазменного процесса образуется оксидный слой, представляющий собой композиционный дисперсно-упрочненный материал ячеистой глобулярной кристаллической структуры, при этом оксидный слой образуется из основного материала и остается с ним структурно связанным, что обеспечивает, с одной стороны, высококачественное сцепление слоя покрытия с поверхностями деталей, а, с другой стороны, позволяет получить покрытие с наилучшими теплофизическими и физикомеханическими свойствами.

После нанесения первого слоя покрытия снимают с него верхний "рыхлый" слой, например, посредством шлифования, а затем на первый, внутренний, слой покрытия наносят наружный слой с использованием метода ионного осаждения. Этот метод может быть реализован на известных установках типа "Булат". Установка содержит вакуумную камеру с установленными в ней электродуговыми испарителями металлов, входящих в состав слоя покрытия, например, титана, и подложкодержателем для размещения деталей двигателя. После размещения деталей на подложкодержателе, возбуждения вакуумной дуги в парах испаряемого материала катода испарителя, очистки и разогрева поверхности обрабатываемых деталей бомбардировкой ионами испаряемого металла путем подачи отрицательного потенциала на подложкодержатель осуществляют формирование наружного слоя покрытия на деталях двигателя в среде реакционного газа, например ацетилена, подаваемого в вакуумную камеру. Предварительный разогрев поверхностей деталей до температуры 493K, наличие в нанесенном слое покрытия карбида титана и в некоторых случаях полимерной составляющей обеспечивают получение пленки равномерной толщины с плотной беспористой структурой с хорошими антикоррозионными свойствами и высокой износостойкостью. Кроме того, проникновение ионов титана и углерода в процессе ионной бомбардировки в приповерхностную зону первого слоя, которая была сформирована благодаря использованию анодно-катодно-микродугового оксидирования, а также возможное образование при этом в этой зоне химических соединений типа карбо -оксисилицидов титана способствуют еще большему повышению адгезии второго слоя покрытия к первому и его коррозионной стойкости. Изменением при этом давления углеродосодержащего газа можно получить оптимальную степень черноты наружного слоя покрытия.

Для нанесения второго слоя покрытия могут быть использованы также установки дугового испарения с автономным ионным источником для предварительной очистки и разогрева поверхности ионами инертного газа и получения ионов реакционного газа и установки магнетронного распыления, например, с цилиндрическим магнетроном для нанесения слоя покрытия на внутренние поверхности деталей, в нашем случае, на внутреннюю поверхность верхнего пояса гильзы цилиндра.

Пример 1. Наружный слой покрытия наносили на днище поршня на установке типа "Булат". Между анодом и катодом испарителя, изготовленного из титана, зажигали дуговой разряд, на подложкодержатель подавали напряжение 1000 В, и в вакуумной камере при давлении в ней 1,010^-2 Па и токе разряда дуги 90A в течение 10 мин производили очистку и разогрев поверхностей, размещенных в камере деталей, бомбардировкой их ионами испаряемого титана. После этого напряжение на подложкодержателе снижали до 50B и в камеру вводили реакционный углеродсодержащий газ - ацетилен, при этом давление в камере устанавливали 5 Па. В этих условиях детали выдерживали 5 мин, что обеспечивало осаждение слоя покрытия толщиной 6,5 мкм.

Пример 2. Наружный слой покрытия наносили на наружные поверхности тарелок клапанов, на установке типа "Булат". Между анодом и катодом испарителя, изготовленного из титана, зажигали дуговой разряд, на подложкодержатель подавали напряжение 1100 В и в вакуумной камере при давлении в ней 1,010^-2 Па и токе разряда дуги 85A в течение 5 мин. производили очистку и разогрев поверхностей, размещенных в камере деталей бомбардировкой их ионами испаряемого титана. После этого напряжение на подложкодержателе снижали до 100B и в камеру вводили смесь метана и азота (относительное соотношение объемов этих газов определяется необходимым составом наружного слоя покрытия), при этом давление в камере устанавливали 1 Па. В этих условиях детали выдерживали 10 мин, что обеспечивало осаждение слоя покрытия толщиной 3 мкм.

Пример 3. Наружный слой покрытия наносили на внутреннюю поверхность верхнего пояса гильзы на установке с цилиндрическим магнетроном. Предварительно осуществляли разогрев деталей с помощью автономного подогревателя и в область мишени цилиндрического магнетрона подавали в отношении 1:1 смесь инертного и реакционного газов, например аргона и ацетилена, и устанавливали давление в рабочей камере 310^-1 Па. Между катодом и анодом подавали напряжение и устанавливали ток разряда 5 А. В этих условиях детали выдерживали 20 мин, что обеспечивало осаждение слоя покрытия 2 мкм.

Таким образом, последовательное использование при изготовлении двигателя внутреннего сгорания двух описанных методов нанесения слоев покрытия обеспечивает, во- первых, высококачественное сцепление внутреннего слоя с поверхностями деталей двигателя, а наружного слоя с внутренним, во-вторых, позволяет получить покрытие с наилучшими теплофизическими и физикомеханическими свойствами, обеспечив при его создании возможность максимального использования этих свойств и максимальный ресурс работы деталей с этим покрытием. Оба используемых метода нанесения покрытий и, следовательно, данный способ изготовления двигателя в целом обладают высокой технологичностью и производительностью.

Совместная реализация данных изобретений: двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом и способа его изготовления - обеспечивает создание двигателя внутреннего сгорания с повышенным КПД и одновременно с высоким ресурсом работы и низкой стоимостью изготовления.