Підвищення зносостійкості та зниження механічних втрат двигуна внутрішнього згорання за допомогою зміцнення робочої поверхні циліндра

Abstract

Актуальність теми дослідження. Зростання конкуренції на ринку двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) і безперервно зростаючі екологічні вимоги викликають необхідність постійного підвищення якості та скорочення термінів створення (дослідження, проектування та виробництва) нових конструкцій двигунів, а також зниження витрат на всіх стадіях життєвого циклу виробу за рахунок використання інноваційних технологій, що забезпечують мінімізацію споживаних трудових і матеріальних ресурсів. Це, в свою чергу, призводить до розробки та впровадження більш складних технологій і технічних рішень. У роботі вказується, що в середньостроковій перспективі основними цілями розробок в області ДВЗ є збільшення потужності, економії палива, надійності і довговічності, зменшення маси і габаритів, забезпечення сумісності з альтернативними паливами. Як результат, внаслідок збільшення тиску і температури в камері згоряння, частоти обертання колінчастого валу тощо, відбувається збільшення механічних і теплових навантажень на деталі ДВЗ . Застосування альтернативних видів палива супроводжується зміною хімічної активності середовища в камері згоряння і, як наслідок, збільшенням корозії поверхонь деталей. Способи забезпечення надійності деталей ДВЗ , що застосовуються в даний момент, не задовольняють в повній мірі зростаючим вимогам, що обумовлює необхідність розробки нових конструкторських і технологічних рішень в цій області. З іншого боку, тенденція до зниження маси двигуна призвела до того, що відбувається поступовий перехід до легких, зокрема, до алюмінієвих сплавів. Зниження маси двигуна тягне за собою зниження вимог до кріплень, з'єднань, підвіски тощо. Особливу важливість маса ДВЗ має при їх застосуванні в ручному інструменті, авіації, мобільних енергоустановках. Сьогодні з алюмінієвих сплавів виготовляють поршні, а також корпусні деталі двигуна і агрегатів. Подальше розширення застосування сплавів алюмінію обмежується рядом властивих їм недоліків, зокрема низькою зносостійкістю. З цієї причини, незважаючи на те, що в даний час у світі приблизно половина всіх блоків циліндрів виготовляється з алюмінієвих сплавів, тільки 10% з них використовуються без чавунної або сталевої гільзи. У зв'язку з цим одним з напрямків науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт, що проводяться в області двигунобудування, є виключення таких вставок з конструкції ДВЗ і повний перехід на сплави алюмінію при виготовленні блоків циліндрів. Деталі циліндропоршневої групи (ЦПГ) є найбільш навантаженими в ДВЗ . Вони функціонують в умовах впливу високих температур, динамічних навантажень, сил тертя і агресивних хімічних сполук. Знос поршнів, кілець і робочих поверхонь циліндрів є одним з основних лімітуючих факторів, що визначають міжремонтні періоди двигуна. І якщо поршень і кільце відносяться до швидкознімних деталей, то ремонт поверхні циліндра або заміна гільзи пов'язані з істотними витратами. У поршневих ДВЗ до 11% енергії палива втрачається на подолання сил тертя. З них до 40% втрат припадає на частку деталей циліндропоршневої групи. Економічний ефект від зниження втрат на тертя і знос у всіх використовуваних двигунах оцінюється в 120 мільярдів доларів США. Одним з перспективних способів підвищення ресурсу деталей ЦПГ з алюмінієвих сплавів є мікродугове оксидування (МДО). МДО дозволяє сформувати на поверхні міцне оксидне покриття з твердістю, близькою до корунду, хорошою адгезією, низькою пористістю і високими антикорозійними властивостями. Незважаючи на істотні переваги МДО, залишається ряд невирішених проблем, які не дозволяють застосовувати його в повній мірі на деталях ЦПГ ДВЗ . Низька теплопровідність покриття може негативно позначатися на тепловій напруженості інших деталей, що обмежують об'єм робочої камери. Висока твердість і низька маслоутримуюча здатність обробленої поверхні можуть призводити до збільшення зносу кілець і спідниці поршня. Можливі відколи покриття на краях, що є серйозним недоліком, особливо для двотактних ДВЗ . Крім того, до теперішнього часу не вирішена проблема отримання рівномірного за властивостями покриття на всій поверхні деталі. У даному дослідженні розглядається можливість заміни гільзи циліндра (ГЦ) зі сплаву заліза на алюмінієві з робочою поверхнею, зміцненою методами ІЗ та МДО, з метою збільшення зносостійкості дзеркала циліндра та ресурсу двигуна. Вивчається вплив таких ГЦ на механічні втрати двигуна. Актуальність роботи визначається такими обставинами: - Незважаючи на те, що алюмінієві блоки циліндрів впроваджуються в двигунобудуванні з середини 1950-х років, переважна більшість з них випускається зі зносостійкими вставками з інших матеріалів для збільшення ресурсу робочої поверхні циліндра. При цьому провідні виробники проводять дослідження з метою виключення таких вставок з конструкції ДВЗ . - Існуючі на ринку технології, по-перше, не задовольняють весь спектр запитів виробників ДВЗ : зокрема, виявляються дорогими для застосування в малорозмірних ДВЗ , мають проблеми сумісності з різними паливами тощо. По- друге, ці технології розроблені і є власністю декількох компаній-монополістів. Російська Федерація сьогодні не володіє подібними технологіями, впровадженими у виробництво. - Доступні у відкритому доступі дослідження присвячені переважно триботехнічним і технологічним аспектам застосування МДО в двигунобудуванні. - Застосування методу іскрового зміцнення для підвищення ресурсу циліндра не досліджувалося. При цьому метод ІЗ - нова технологія, що має ряд переваг щодо аналогічних рішень. Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є підвищення зносостійкості робочої поверхні циліндра з алюмінієвого сплаву і зниження механічних втрат двигуна методами іскрового зміцнення і мікродугового оксидування. Об'єкт дослідження: Процеси зношування та механічних втрат у циліндропоршневій групі (ЦПГ) двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ). Предмет дослідження: Закономірності зміни експлуатаційних характеристик (зносостійкості, коефіцієнта тертя, механічного ККД) робочої поверхні циліндра ДВЗ внаслідок застосування технології її зміцнення Відповідно до мети були сформульовані завдання дослідження: 1. Обґрунтування режимів іскрового зміцнення робочої поверхні гільзи циліндра ДВЗ з алюмінієвого сплаву для забезпечення його зносостійкості. 2. Дослідження впливу іскрового зміцнення на коефіцієнт тертя, мікротвердість і межу міцності покриття, що визначають надійність конструкції двигуна. 3. Розробка методики та проведення порівняльних моторних випробувань для оцінки впливу зміцнення робочої поверхні гільзи циліндра методами іскрового зміцнення та мікродугового оксидування на зносостійкість циліндра та механічні втрати ДВЗ . 4. Оцінка впливу зміцнення робочої поверхні гільзи циліндра з алюмінієвого сплаву методами іскрового зміцнення та мікродугового оксидування на тепловий режим деталей циліндропоршневої групи та головки циліндра ДВЗ . Методи дослідження. При виконанні роботи використані наступні методи дослідження: - теоретичні дослідження з використанням основних положень теорії двигунів внутрішнього згоряння, теплопередачі та триботехніки; - експериментальні дослідження на лабораторних зразках; - експериментальні дослідження на малорозмірних поршневих ДВЗ. Дослідження мало розрахунково-експериментальний характер.