способ обеспечения минимальных механических потерь в цилиндро-поршневых группах двигателя внутреннего сгорания при формировании покрытий поверхностей деталей без разборки двигателя

Формула изобретения

Способ обеспечения минимальных механических потерь в цилиндро-поршневой группе двигателей внутреннего сгорания любых типов, заключающийся в том, что формируют покрытия поверхностей деталей без разборки двигателя путем ввода в масляную систему двигателя заданного количества порошкового минерального материала, причем вводимый материал имеет дисперсность до 20 мкм при твердости частиц до 2100 HV и ниже 1 мкм при твердости частиц свыше 2100 HV, при этом адгезионное число материала составляет не менее 750, производят обкатку двигателя, при этом частоту вращения коленчатого вала назначают в зависимости от твердости частиц выбранного материала, при твердости частиц до 700 HV до 2100 HV - от частоты вращения на холостом ходу до 0,4 от номинальной частоты вращения; при твердости частиц свыше 2100 HV - не более 0,4 от номинальной частоты вращения, при этом время обкатки назначают от 10 мин для малых автомобильных двигателей, до 30 мин для крупных двигателей и 1,5 ч для больших силовых установок, и в качестве критерия наличия минерального слоя на трущихся поверхностях деталей после обкатки является повышение компрессии в каждом из цилиндров не менее чем на 5 Н/см².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам обработки поверхностей, в частности к способам формирования покрытий с использованием порошковых материалов.

Известны способы формирования покрытий из порошковых минеральных материалов на поверхностях деталей двигателей без разборки двигателя, заключающиеся в том, что состав, включающий в себя жидкий или гелеобразный носитель, в котором содержится основной материал, формирующий покрытие, вводят в масляную систему двигателя [1].

Основные материалы, входящие в состав, при этом могут быть как однокомпонентными [2], так и многокомпонентными, состоящими из смеси нескольких минеральных веществ [3-5]. При этом процентное содержание основного материала в составе составляет по массе от 0,1 до 8%.

В качестве основного параметра, таким образом, принимают концентрацию основного материала в носителе (связующем веществе) при введении состава в зону трения.

Практически указываемые нормы расхода составов, находящихся в определенных емкостях после промышленной расфасовки, касаются только содержания основного материала в емкости. Поскольку же, при безразборном способе формирования покрытия на поверхностях деталей двигателя неизбежно состав вводится в некоторый объем штатного масла, имеющийся в масляной системе двигателя, то количество основного материала, вводимого в зону трения для формирования покрытия, является неопределенным. Неопределенность количества основного материала обуславливается и отсутствием указаний на количество расходного материала и его вид в емкости с составами, находящимися в продаже.

Количество основного материала, вводимого в зону трения при этом никак не связано с площадью поверхности контакта, толщиной слоя покрытия и другими параметрами покрытия и основного материала. Основные параметры двигателей после формирования покрытий на деталях трущихся узлов без их разборки могут иметь случайные значения. Параметры двигателя получаются отнюдь не оптимальными.

Иллюстрацией к этому являются следующие примеры.

1. Исследования образцов, вырезанных из деталей двигателя, прошедшего 100000 км с применением известного препарата «Форсан» при рекомендуемых фирмой нормах расхода, показали [6], что на поверхности трения не выявлено явных структурных изменений. Исследование микротвердости позволило только выявить наличие слоя с повышенной твердостью. То есть количество основного материала, проникшего в зону контакта, было явно недостаточно для формирования сплошного покрытия с определенной толщиной.

2. Исследования влияния серпентинита Печенгского месторождения, введенного в смазочную систему дизеля 2 ч 8,5/11 в количестве 0,05 мас.%, после приработки в течение 50 часов выявили следующие эксплуатационные параметры двигателя: механический КПД увеличился при нагрузке 100% с величины 0,7 (при работе со штатным маслом) до величины 0,925 (при работе с составом, включающим 0,05% серпентинита). При этом величина механического КПД возросла не до предельных значений.

3. Исследования влияния смеси минералов (серпентин-антигорит 6%, тремолит 48%, хлорит 42%, магнетит 6% в количестве 0,25 мас.%) на том же дизеле и при тех же условиях показали, что механический КПД двигателя увеличился при нагрузке 90% с 0,68 (при работе со штатным маслом) до 0,76 (при работе с испытуемым составом).

Данные результаты говорят о том, что для получения максимальных параметров двигателя при формировании антифрикционных покрытий без разборки двигателя требуется учитывать как физико-механические характеристики материала, так и режимы формирования покрытий. Имеющиеся способы формирования покрытий дают покрытия с мало предсказуемыми свойствами:

- толщина покрытия колеблется в весьма широких пределах - 0,005 - 0,02 мм;

- физико-механические свойства поверхности не регламентируются.

Недостатком применяемых способов формирования покрытий на деталях двигателей внутреннего сгорания без его разборки является то, что при помещении не нормированного количества минерального материала между двумя контактирующими поверхностями при имеющихся в данном двигателе эксплуатационных нагрузках режим формирования покрытий и механические характеристики основного материала, формирующего покрытия, могут на сочетаться между собой и не давать нужного результата, а характеристики минерального материала и параметры режима работы механизма не нормируются.

В качестве прототипа выбран способ обеспечения минимальных механических потерь в поршневых машинах-двигателях внутреннего сгорания [8], при котором покрытие формируется на поверхности деталей, составляющих основные пары трения в двигателях, по следующему общему технологическому процессу:

- поверхность детали обрабатывается контактной ультразвуковой установкой с мощностью не менее 1 кВт при режимах для чистового точения материала основы и с силой прижатиея наконечника к обрабатываемой поверхности 20-80 Н и амплитудой колебаний 20-40 мкм;

- на обработанной таким образом поверхности детали формируется 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 проходит обработку 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 производится.

В принятом прототипе установлены режимы формирования поверхностных слоев, физико-механические характеристики основного материала и другие условия формирования покрытий при станочной обработке деталей. При формировании покрытия без разборки двигателя задачей является максимальное приближение к результатам, получаемым в прототипе.

В основу изобретения ставится задача при введении в масляную систему двигателя порошкового минерального материала с заданными свойствами и в определенном количестве путем проведения обкатки двигателя по определенной процедуре обеспечить необходимые свойства покрытия, тем самым достигнув минимальных механических потерь в цилиндропоршневой группе двигателя внутреннего сгорания.

Технический результат - заданные механические свойства покрытия после обкатки двигателя в заданном режиме, достигается при формировании минерального покрытия на поверхностях трущихся деталей цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания после ввода в масляную систему заданного количества порошкового материала, обладающего соответствующей дисперсностью и параметрами адгезионной способности и обкатки двигателя в определенном интервале скоростей и с определенной нагрузкой. Показателем наличия минерального покрытия служит изменение компрессии во всех цилиндрах двигателя и величина механического КПД, измеренная на мотор-тестере любой модификации.

Технический результат определяется тем, что в способе обеспечения минимальных механических потерь в цилиндропоршневой группе двигателей внутреннего сгорания при формировании покрытий поверхностей деталей без разборки двигателя согласно изобретению устанавливают следующие требования к материалам, режимам обкатки и измерениям технических параметров двигателя.

1. Дисперсность основного материала составляет не более 20 мкм.

2. В зависимости от твердости частиц выбранного материала дисперсность основного материала принимается: при твердости частиц до 2100 HV дисперсность до 20 мкм; при твердости частиц выше 2100 HV дисперсность частиц ниже 1 мкм.

3. Адгезионное число [7] выбранного материала составляет не менее 750.

4. Объем вводимого материала определяют исходя из площади поверхности всех трущихся деталей цилиндропоршневой группы с учетом толщины слоя в 10-20 мкм и коэффициентом запаса 1, 2.

5. Частоту вращения коленчатого вала при обкатке двигателя назначают в зависимости от твердости частиц выбранного материала: при твердости частиц до 700 HV - 1800-3200 об/мин; при твердости частиц свыше 700 HV и до 2100 HV - 200-320 об/мин; при твердости частиц свыше 2100 HV - не более 1800 об/мин.

6. Время обкатки от 10 минут для малых автомобильных двигателей до 30 минут для крупных двигателей и 1,5 часа для больших силовых установок.

7. Критерием наличия минерального слоя на трущихся поверхностях деталей после обкатки является повышение степени сжатия (компрессии) в каждом из цилиндров не менее чем на 5 Н/см² .

При выполнении этих условий достигается контролируемое изменение механических и эксплуатационных характеристик двигателя.

Ниже приведены примеры конкретной реализации.

Пример 1. Объект минимизации механических потерь - цилиндропоршневая группа двигателя автомобиля ВАЗ 21093, 1997 г.выпуска с пробегом двигателя на момент проведения работ 130 тыс.км. В картер двигателя введено 15 см³ порошка серпентинита Уральских месторождений крупностью не более 20 мкм. После этого проведена обкатка двигателя с частотой вращения 2100 об/мин в течение 10 мин. В исходном состоянии и после обкатки были проведены замеры компрессии по цилиндрам при одинаковых условиях. В результате компрессия по цилиндрам увеличилась: в первом с 9 до 13,5; во втором с 7 до 14; в третьем с 11 до 14 и в четвертом с 9 до 13,5 кгс/см². Замеры механического КПД, проведенные мотор-тестером типа К297 после 200 км пробега, показали следующие значения КПД: 0,985; 0,981; 0,992. Общий пробег автомобиля за время наблюдений составил 805594 км. После каждых 120000 км вместо капитального ремонта в масло добавляли по 2 см ³ того же материала. В конце пробега замеры компрессии по цилиндрам показали среднее значение 13,5 кгс/см ². Стабильное значение компрессии показало, что износ в цилиндрах, а следовательно, и механические потери минимальны.

Пример 2. Объект минимизации механических потерь - цилиндропоршневая группа двигателя автомобиля Волга ГА3-24 с пробегом двигателя на момент проведения работ 220 тыс.км. В картер двигателя введено 20 см³ порошка серпентинита месторождений Кольского п-ва, дисперсностью до 20 мкм. После этого проведена обкатка двигателя с частотой вращения 1800 об/мин в течение 7 мин. В исходном состоянии и после обкатки были проведены замеры компрессии по цилиндрам при одинаковых условиях и баланса мощности на мотор-тестере К-297. В результате компрессия по цилиндрам увеличилась: в первом с 7,5 до 8,2; во втором с 7,5 до 8,5; в третьем с 7,0 до 8,0 и в четвертом с 7,5 до 8,5 кгс/см ². Замеры механического КПД показали следующие значения КПД: до обкатки в исходном состоянии: 0,832, 0,830, 0,831; после обкатки 0,985; 1,000; 0,987 (при точности измерений 2%). После этого двигатель автомобиля сохранял эти показатели на протяжении 432000 км пробега, после чего наблюдение закончилось.

Пример 3. Объект минимизации механических потерь - цилиндропоршневая группа двигателя (дизеля) автопогрузчика «Комацу». В масло двигателя введено 28 см порошка кварца дисперсностью до 10 мкм и твердостью частиц 1700 HV - 2100 HV. После этого проведена обкатка двигателя с частотой вращения 300 об/мин в течение 15 мин. В исходном состоянии и после обкатки были проведены замеры компрессии по цилиндрам при одинаковых условиях. В результате компрессия по цилиндрам увеличилась: в первом с 28 до 33; во втором с 28 до 33; в третьем с 27 до 30 и в четвертом с 28 до 32 кгс/см² .

Приведенные примеры показывают, что заявленный способ позволяет получить поверхностные минеральные слои на трущихся деталях цилиндропоршневых групп с заданными свойствами, обеспечивающими условия минимальных механических потерь.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Балабанов В.И. Безразборное восстановление трущихся соединений автомобиля. Методы и средства. Москва. Астрель. ACT 2002.

2. SU 1601426 АС. Способ формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях и состав для формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях. 23.10.90. Бюл.№39.

3. RU 2043393. Твердосмазочное покрытие. 10.09.95. Бюл. №25.

4. RU 2129461. Способ геоэнергетической интенсификации массообменных процессов. 27.04.99.

5. RU 2043393. Состав для повышения износостойкости узлов трения при эксплуатации. 22.02.2000.

6. Петров В.М., Васильев А.С., Федосов А.В., Чулкин С.Г. Исследование влияния ремонтно-восстанавливающих препаратов на параметры точности и микрогеометрии поверхности деталей машин. «Инструмент и технологии». 2002. №9-10, с.31-37.

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

8. RU 2263217. Способ обеспечения минимальных механических потерь в поршневых машинах-двигателях внутреннего сгорания. 27.10.2005.