Введение 4
1 Анализ конструкторских и технологических решений поршней
двигателей внутреннего сгорания 11
2 Модельные представления о механизме формирования МДО-покрытий 14
3 Преимущества и недостатки технологии МДО 17
4 Особенности строения, свойства и области применения
МДО-покрытий 20
4.1 Строение и свойства 22
4.2 Области применения 24
5 Программа и методика экспериментальных исследований 24
5.1 Методика микродугового оксидирования поршней 24
5.2 Методика лабораторных исследований покрытия днища поршня 26
5.2.1 Методика определения микротвердости покрытия 26
5.2.2 Методика определения пористости покрытия 28
5.2.3 Методика определения температропроводности 29
5.2.4 Методика определения удельной теплоемкости 30
5.3 Методика стендовых исследований двигателя оснащённого оксидированными поршнями 31
5.3.1 Оборудование и приборное обеспечение 31
5.3.2 Методика подготовки двигателя УМЗ-417 к сравнительным стендовым исследованиям 35
5.4 Методика натурных испытаний двигателя оснащённого оксидированными поршнями 37
5.4.1 Оборудование и приборное обеспечение 37
5.4.2 Методика подготовки двигателя ВАЗ 2107 к натурным испытаниям 39
5.5 Обработка результатов стендовых исследований двигателя, оснащённого типовыми и оксидированными поршнями 41
6 Результаты проведенных исследований 43
6.1 Результаты лабораторных исследований 46
6.2 Результаты стендовых испытаний 54
6.3 Результаты натурных испытаний 58
Заключение 63
Библиографический список 64
Современное двигателестроение направлено на повышение технических характеристик (далее ТХ) двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС). Это способствует увеличению механической и тепловой нагрузки на детали цилиндропоршневой группы (далее Ц11Г). Одной из нагруженных деталей Ц11Г является поршень. Перегрев поршня влияет на срок его службы и качество работы двигателя, чрезмерное перегревание поршня приводит к преждевременному износу контактных поверхностей, залеганию поршневых колец и их поломкам, заклиниванию поршней, прогарам днища поршня.
Поршень, гильза цилиндров, поршневые кольца являются наиболее нагруженными деталями Ц1Г. 1оршень по особенностям строения двигателя испытывает различные нагрузки, на величину и направление которых влияет процесс сгорание топлива. Возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре, с периодическим ускорением до скорости более 100 км/ч, вызывает перегрузки от 1500 до 2000 g, в след за которыми идет замедление до нуля, что неблагоприятно влияет на масляную пленку на его поверхности, с учетом высоких температур самого поршня и гильзы цилиндра. 1овторяющийся цикл ускорение-замедление поршня при вращении коленчатого вала 4200 об/мин происходит с частотой около 150 Гц.
1ри сгорании топливно-воздушной смеси в бензиновом двигателе обеспечиваются рабочие циклы, при которых давление в цилиндре может достигать от
6,5 до 8 МПа.
1оступление избыточного количества воздуха в камеру сгорания, приводит к максимальным температурам газа в камере в диапазоне от 1800 до 2600 °С. Такая температура значительно превышает температуру плавления материала на основе алюминия применяемого при изготовление поршней (около 700 °С). Для обеспечения нормальной работы, поршень должен интенсивно охлаждаться. Это достигается посредствам контакта поршня и колец с гильзой и маслом, которые отбирают часть тепла и передают ее охлаждающей жидкости. Из-за высокой температуры снижается прочность материала, а в следствии его охлаждения прочность принимает первоначальные значения. Поэтому напряжения, возникающие при циклических нагрузках, складываются с напряжениями, возникающими при сгорании топлива. В целях уменьшения воздействий указанных напряжений, на поршень, необходимо определится с рациональным выбором материала. Материал поршня должен удовлетворять следующим требованиям:
- низкая плотность, позволяющая добиться минимальной инерции при возвратно-поступательных движениях деталей; вес деталей играет большую роль для высокофорсированных автомобильных двигателей;
- высокая теплопроводность, позволяющая максимально быстро рассеивать тепло;
- хорошие прочностные свойства при повышенных температурах, позволяющие при температурах, наблюдаемых на поршне обеспечивать высокое сопротивление деформации и усталостному разрушению;
- хорошая износостойкость при высоких температурах, обеспечивающая минимальный износ поршня и продлевая его срок службы;
- минимальный коэффициент теплового расширения, который при правильной подборке с материалом применяемого для изготовления гильзы позволит добиться минимальных зазоров при нагреве двигателя и в тоже время исключить заклинивание...
Одной из наиболее нагруженных деталей двигателя является поршень, перегрев которого приводит к преждевременному износу и прогару. Покрытия, сформированные на его поверхности, могут обеспечить защиту от воздействия высокотемпературных тепловых потоков, выходящих из камер внутреннего сгорания. Анализ конструкторских решений показал, что одним из наиболее перспективных видом упрочнения поршней является микродуго- вое оксидирование.
Для выбора рационального режимы были проведены лабораторные исследования по влиянию параметров микродугового оксидирования на свойства материала поршней: микротвердость, пористость, теплопроводность и теплоемкость. Результаты исследований показали что при росте плотности тока и длительности оксидирования увеличивается твердость, и уменьшается пористость, теплоемкость, температуропроводность.
Выбрав рациональный режим оксидирования, проведена работа по нанесению покрытий на днища поршней. Поршни с покрытием использовались в сравнительных стендовых испытаниях бензинового двигателя УМЗ-417 . По полученным результатам выполнен расчет параметров двигателя на мощность, крутящий момент и расход топлива. Которые показали прирост мощности и крутящего момента при уменьшении расхода топлива
Для оценки качества работы двигателя и технико-экономических показателей были проведены сравнительные натурные испытания поршней с покрытием в бензиновом двигателе ВАЗ 2107. По результатам испытаний проведен расчет экономии топлива, который указывает на снижение расхода топлива.
