автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей микродуговым оксидированием днищ поршней двигателей

Степанов Виктор Александрович

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ ДНИЩ ПОРШНЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.03 - технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 6 MAP 20U

Пенза-2014

005545770

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Столыпина» (ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина»)

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Хохлов Алексей Леонидович

Официальные оппоненты: Дьяков Иван Федорович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Основы проектирования машин»

Рмблов Михаил Владимирович

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», доцент кафедры «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика»

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное обра-

зовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет»

Защита состоится 18. 04. 2014 г. в 13— часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» и на сайге ЬйрУ/рааЬа pen7a.net/.

Автореферат разослан «17» февраля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кухарев О.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современные тенденции в двигателестроении направлены на улучшение эксплуатационных показателей двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Это, в свою очередь, сопровождается увеличением механической и тепловой нагрузки на детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Одной из наиболее нагруженных деталей ЦПГ является поршень. Перегрев поршня приводит к преждевременному износу трущихся поверхностей, залеганию поршневых колец и их поломкам, заклиниванию поршней, прогарам днища поршня и т.п.

Современная технология может обеспечить защиту деталей двигателя, подверженных термическим нагрузкам, особенно поршней, путем использования структурного покрытия или специальных изолирующих материалов. Основная идея такого покрытия состоит в отражении тепловой энергии обратно в камеру сгорания, что должно предупреждать перегрев поршня. Теплозащитные покрытия наносят плазменным и

детонационным методами, однако, такие покрытия при работе разрушаются и поэтому они не нашли широкого применения для снижения температурного уровня поршня.

Поэтому исследования, направленные на разработку способов нанесения покрытий, позволяющих повысить термостойкость, адгезионную прочность деталей камеры сгорания двигателя и, как следствие, улучшить эксплуатационные показатели

автомобиля, являются актуальной научной и практически значимой задачей.

Степень разработанности темы. Применение высокоэффективных и надежных покрытий рассматривается в научных работах Батищева А.II., Новикова А.Н., Черненко В.И., Малышева В.Н., Федорова В.А., Суминова И.В., Гордиенко П.С., Ве-ликосельской Н.Д., Эпельфельда A.B., Казанцева И.А. и др. Одной из основных проблем при нанесении покрытий является непрочная связь с основой материала и, как следствие, отслаивание, вспучивание и растрескивание покрытия. Микродуговое оксидирование (МДО) поршней позволяет формировать многофункциональные покрытия, отличающиеся от исходных свойств материала по износостойкости, коррозион-ностойкости и теплостойкости. Применительно к поршню автомобильного двигателя оптимальные параметры оксидированного слоя (толщина, пористость и др.) не обоснованы. Также не обоснованы режимные параметры МДО для получения оксидированного слоя, обладающего необходимыми физико-механическими свойствами. Недостаточно исследовано влияние МДО па показатели рабочего цикла бензинового двигателя и эксплуатационные показатели автомобиля. Поэтому данные вопросы требуют дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

Работа выполнена по плану научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. H.A. Столыпина», тема «Разработка средсгв механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства» (номер государственной регистрации № 01.200.600147).

Цель исследований. Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей микродуговым оксидированием днищ поршней двигателей.

Задачи исследований:

1. Теоретически обосновать влияние режимов микродугового оксидирования на формирование оксидированного слоя на днище поршня.

2. Выполнить расчет параметров рабочего цикла ДВС и показателей эксплуатационных свойств автомобиля, оснащенного поршнями с оксидированным днищем.

3. Изготовить опытные образцы поршней автомобильного двигателя, обработанных методом микродугового оксидирования, провести лабораторные исследования меха-

нических и физико-химических свойств оксидированного слоя.

4. Провести сравнительные моторные исследования двигателя п эксплуатационные исследования автомобиля, оснащенных штатными поршнями и поршнями с оксидированными днищами, оценил» технико-экономическую эффективность от их использования.

Объект исследований. Рабочий процесс автомобильного двигателя с поршнями, днища которых обработаны методом микродугового оксидирования.

Предмет исследований. Показатели двигателя УМЗ-417 и эксплуатационные показатели автомобиля Ульяновского автомобильного завода, оснащенных поршнями с оксидированным днищем.

Научную новизну работы составляют:

• теоретически и экспериментально обоснованные технологические режимы МДО, влияющие на формирование толщины покрытия, механических и физико-химических свойств оксидированного слоя;

• уточненная методика расчета параметров рабочего цикла, индикаторных и эффективных показателей двигателя, оснащенного поршнями с оксидированным днищем;

• мощностные и топливно-экономические показатели автомобильного двигателя, эксплуатационные показатели автомобиля с двигателем, оснащенным поршнями с оксидированным днищем.

Новизна технического решения подтверждена:

- патентом РФ на изобретение № 2439211 «Способ обработки поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминия, титана и их сплавов»;

- патентом на полезную модель № 130003 «Поршень двигателя внутреннего сгорания».

Теоретическая н практическая значимость работы. Рекомендуемые режимы технологического процесса МДО днищ поршней позволяют получить оксидированный слой толщиной 8 мкм. пористостью 8...10 %, обеспечивающий снижение температуры поршня до 25 % по сравнению со штатными поршнями. Использование поршней с оксидированными днищами в двигателе УМЗ-417 снижает удельный эффективный расход топлива на 8,8 %. уменьшает путевой расход топлива автомобиля на 5,1 % при одновременном повышении эффективной мощности на 4,8 % по сравнению с двигателем, укомплектованным штатными поршнями.

Реализация результатов исследований. Поршни с оксидированными днищами переданы в ООО «Ульяновский моторный завод» для проведения длительных износ-ных испытаний двигателя. Сравнительные моторные исследования двигателя в штатной и экспериментальной комплектациях проводились в лаборатории ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина», эксплуатационные исследования автомобилей проводились в производственных условиях ООО «Ульяновская Нива», ООО «ИНЭКС» Ульяновской области.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории двигателя внутреннего сгорания, теории автомобиля, методов математической статистики и сопоставления теоретических и экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных методик. За метод исследований принят метод сравнительных исследований двигателя в стендовых условиях и автомобилей в эксплуатационных условиях в штатной и .экспериментальной комплектациях. Обработка экспериментальных данных выполнялась на электронной вычислительной машине (ЭВМ) с применением прикладных программ Statistica - 6.0, MathType 6.7, Microsoft Excel и др.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на зашиту:

• аналитические зависимости по обоснованию влияния режимов микродугового оксидирования на формирование толщины и пористости оксидированного слоя;

• технологические режимы процесса оксидирования дншца поршня;

• показатели бензинового двигателя и эксплуатационные показатели автомобиля с двигателем, оснащенным поршнями с оксидированным днищем.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов подтверждается лабораторными исследованиями по параметрам микротвердости, пористости, изменению температуры поршня, структуры и элементного состава оксидированного слоя днища поршня, а также стендовыми исследованиями двигателя и эксплуатационными исследованиями автомобилей с двигателями в штатной (типовые поршни) и экспериментальной (поршни с оксидированными днищами) комплектациях.

Основные положения диссертации и результаты исследований доложены и одобрены на межвузовских, региональных, всероссийских и международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (2012 г., 2013г.), ФГОБУ ВПО «Ульяновская ГСХА» (2007г.), Технологический институт - филиал ФГОБУ ВПО «Ульяновская ГСХА» (г. Димнтровград, 2008 г., 2012г.), НП «Сибирская АК» (г. Новосибирск, 2013г.), П1 international research and practice conference «Science and Education» (r. Мюнхен).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 работ, в той числе 3 статьи в изданиях по «Перечню...ВАК при Минобриауки РФ». Получены патент на изобретение и полезную модель. Общий объем публикаций 3,26 пл., из них автору принадлежит 1,08 пл.

Сгрустура и объем диссертации. Диссертация изложена на 179 е., состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 174 наименований и приложения на 28 е., содержит 8 табл. и 71 рис.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цель и задачи исследований, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследовании» проанализированы конструкторские и технологические решения поршней ДВС, направленные на улучшение эксплуатационных показателей автомобилей и, в частности, способ МДО днищ поршней ДВС.

Способ МДО позволяет получать покрытия, характеризующиеся высокими физико-механическими характеристиками, эксплуатационными и теплоизоляционными свойствами, устойчивые к тепловому удару. Об этом свидетельствуют работы Бати-щева А.Н., Новикова А.Н., Черненко В.И., Малышева В.Н., Федорова В.А., Суминова И.В., Гордиенко П.С., Великосельской Н.Д., Эпельфельда А.В., Казанцева И.А. и др. Отличительной особенностью МДО является участие в процессе формирования покрытия поверхностных микроразрядов, оказывающих весьма существенное и специфическое воздействие па формирующееся покрытие, в результате которого состав и структура получаемых оксидированных слоев существенно отличаются, а свойства значительно повышаются по сравнению с обычными анодными пленками. Другими положительными отличительными чертами процесса МДО являются его экологич-ность, а также отсутствие необходимости тщательной предварительной подготовки поверхности детали в начале технологической цепочки и применения холодильного оборудования для получения относительно толстых покрытий.

По результатам литературного и патентного обзора научной информации сформулированы цель и задачи исследований.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование улучшения эксплуатационных показателей двигателей методом микродугового оксидирования днищ поршней» теоретически обосновано влияние режимов МДО на толщину и пористость оксидированного слоя днища поршня, рассмотрены основные этапы формирования оксидированного слоя на днище поршня, выполнены расчеты параметров рабочего цикла ДВС и эксплуатационных показателей автомобиля но методике, уточненной с учетом влияния МДО.

Оценка влияния режимов МДО на характеристики получаемого оксидированного слоя проведена с использованием уравнения первого порядка, учитывающего взаимодействия режимов процесса:

п п

У = bl,+1£bl■xl+2|Ь,J■xl■xJ, (1)

1=1

где у — функция отклика толщины оксидированною слоя (<5, мкм); х„ — влияющие режимы МДО; Ъ0 -свободный член; Ь„ Ьу-коэффициенты регрессии; п - число опытов.

В качестве основных факторов, оказывающих наибольшее атияние на толщину оксидированного слоя, были определены: Л; - соотношение катодной и анодной токовых составляющих (1к/1а), х2 - плотность тока (г, А/дм2), х3 - концентрация электролита (г/л), х4 -продолжительность оксидирования (/, ч), х5 - напряжение формирования слоя ((/, В).

Толщина алюминиевой оксидированной пленки может быть определена путем расчета, исходя из фиксированных режимов анодирования в электролитах, представляющих собой порообразующий раствор, в котором формируется сплошная (неио-ристая) пленка, так называемый "оксид барьерного типа" - барьерного слоя. При этом в барьерном слое оксид алюминия растет пропорционально напряжению, приложенному к оксиду (напряжение формирования (7ф), по закону:

8 = а-иф, (2)

где ¿' - толщина оксидированного слоя на поршне, мкм; 1'ф — напряжение формирования оксидированного слоя. В; а - константа роста оксида (для алюминия а = 1,4 мкм/В).

Поскольку формирование наноячеек пористого оксида штюминия происходит за счет роста оксидированного барьерного слоя, то диаметр каждой ячейки будет равен удвоенному значению его толщины, определяемому из соотношения (2). Следовательно, изменяя ток через ячейку и напряжение формирования можно определять параметры оксидированного слоя не только в конечной стадии, но и в процессе оксидирования.

Скорость оксидирования и, соответственно толщина и пористость оксидированного слоя, будут определяться электрическими параметрами. В соответствии с теорией электрических цепей, сопротивление и емкость микродуговой системы будут являться отображением толщины (<5) и пористости (Р) получаемого покрытия:

(3)

к I р

Р С,5 1ёк (4)

к и-р '

где Яг - сопротивление оксидированного слоя, Ом; р - удельное сопротивление оксидированного слоя, Ом м; Сг - емкость границы металл-раствор, Ф; к - коэффлциент пропорциональности, зависящий аг состава электролита, численно равный массе ве-

шества, выделившейся при прохождении через электролит единицы электрического заряда; U- напряжение оксидирования. В; / — сила тока. А.

Таким образом, толщина оксидированного слоя будет прямо пропорциональна напряжению и составу электролита. Пористость будет обратно пропорциональна напряжению и прямо пропорциональна силе тока. Путем варьирования параметров режима оксидирования (силы тока, напряжения и времени процесса) можно получать оксидированные слои необходимой толщины и пористости.

Результаты расчетов показывают, что для обеспечения снижения температуры нагрева поршня, оксидированный слой, образуемый на днище поршня, должен иметь толщину не менее 8 мкм, который образуется при соблюдении следующих параметров процесса МДО: концентрация ортофосфорной кислоты в водном растворе - 180 г/л, плотность тока- 3.. .4 А/дм2, напряжение, подаваемое к днищу поршня - 250 В. температура электролита - 20.. .25 °С, время оксидирования - 30 минут.

При практически неизменном значении температуры охлаждающей среды и поперечных размеров днища поршня разность нагрева типового и поршня с оксидированным днищем по существу может быть сведена к определению величины среднего удельного потока через стенку q. Эта величина будет зависеть последовательно или от средней результирующей температуры газов за цикл (., среднего по времени и по поверхности коэффициента теплоотдачи от газов к стенке «,, и от температуры стенки tta, или от температурного перепада в стенке, определяемой как разность температур между 1хг и температурой днища поршня 1гск со стороны картера, коэффициента теплопроводности материала я и толщины стенки д. Используя известное выражение для теплового потока можно определить некоторое усреднённое значение температуры стенки на горячей стороне, если условиться относительно выбора величин «к» 1г, 4*:

д = аг ■ (/, - /_„) = j• (/,„ - tXK),

(5)

где д - средний удельный тепловой поток через днище поршня двигателя, Вт/м": а, -коэффициент теплоотдачи от газов к днищу поршня; — средняя результирующая температу ра газов за цикл. К; - температура стенки днища поршня со стороны газов, К; 1ХК - температура днища поршня со стороны картера. К; Л - коэффициент теплопроводности материала днища поршня, Вт/м -К; ¿-толщина днища поршня, м.

Для определения разности нагрева типового и поршня с оксидированным днищем, на основе теории теплопередачи, процесс передачи тепла для поршня с оксидированным днищем, может быть представлен в виде схемы изменения температуры и распределения тепловых потоков от газов через трехслойную стенку по толщине поршня (рис. 1). При этом - отраженный оксидированным слоем днища поршня тепловой поток, с],„ </.„ - соответственно тепловые потоки поглощённые оксидированным слоем, телом поршня и слоем охлаждающего масла, цу - тепловой поток прошедший через поршень.

Рисунок / - Передача теплоты через оксидированный поршень

При этом условии

где 1стг - температура оксидированного слоя со стороны газов. К; ¿0 - температура стенки днища поршня под оксидированным слоем, К; 1М - температура днища поршня со стороны картера под слоем смазочного масла. К; - температура внешнего слоя смазочного масла, К.

Разность нагрева типового и поршня с оксидированным днищем с учетом термических сопротивлений слоев рассчитывается:

ДЬ

№

о

Я.....

X

(7)

"срго \ п п / V п

где Д4ук - разница нагрева поверхности днища типового поршня относительно средней результирующей температуры газов при сгорании; А/„„ - разница нагрева тела типового поршня; Ьлчко - разница нагрева поверхности оксидированного днища относительно средней результирующей температуры газов при сгорании; Д/,„„„ - разница нагрева тела поршня под оксидированным днищем; - температура нагрева облучаемой поверхности на такте расширения: Лет, - термическое сопротивление материала поршня, м2К/Вт; Яег - термическое сопротивление газов, м К/Вт; — термическое сопротивление внутренней поверхности поршня, поскольку внутренняя поверхность покрыта слоем масла принимается равным термическому сопротивлению масла, м К/Вт; Яе„„ — термическое сопротивление оксидированной поверхности поршня, м2К/Вт; - термическое сопротивление оксидированного слоя поршня, мГК/Вт.

В результате расчетов установлено, что снижение температуры поршня с оксидированным днищем, по сравнению с типовым, составляет 88"С Изменение температуры подогрева свежего заряда, поступающего в цилиндры карбюраторного ДВС. будет описываться линейной зависимостью

АТ=(0,2Ы+Р), (8)

где /? - коэффициент, учитывающий приращение температуры подогрева свежего заряда в зависимости от изменения нагрева днища поршня (рис. 2) и изменяющийся по закону:

Р = Ш0„-Тт1), (9)

где Гол-температура поверхности оксидированного слоя со стороны камеры сгорания, °С; Ттп - температура тела поршня под оксидированным слоем, °С; А/ - разность нагрева типового поршня и поршня с оксидированным днищем, °С. ат,°с1

у 40.. 2-М+В

д ) '

10 20 30 10 50 60 70 80 90 >

Рисунок 2 - Изменение температуры подогрева заряда (А Т) от изменения температуры нагрева днища поршня (Д^

Определяющее влияние на мощностные и топливно-экономические показатели ДВС оказывает коэффициент наполнения

п ——, (Ю)

Р.'К е-\ Ро Та 1 + (рд-г/

где б, - действительное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя; р„ — плотность свежего заряда на впуске, г/см'; У/, - рабочий объем цилиндра, см';

- степень сжатая двигателя; Ра - давление в конце впуска, МПа; Р„ - давление окружающей среды, МПа; Т„ - температура окружающего воздуха, °С; Та - температура газов в конце впуска, °С; уг - коэффициент остаточных газов; - коэффициент доза-рядки.

С учетом изменения температуры подогрева свежего заряда за счет наличия оксидированного слоя на днище поршня, выражение для определения коэффициента наполнения примет вид

■ __£_ Р^ _<рд-Т0_

~ е-\' Р0 ' 7; + 0,2Д/ + 1п(Тт -Ттп) + <рд-уг ■ Тг' <">

Таким образом, образование оксидированного слоя на днище поршня ДВС способствует снижению температуры подогрева бензовоздушного заряда по сравнению с ДВС, оснащенным типовым поршнем и. соответственно, к повышению коэффициента наполнения, что позволит улучшить индикаторные и эффективные показатели двигателя. Расчеты показывают, что у ДВС с типовыми поршнями ^,.=0,863, у ДВС с оксидированными поршнями 11 „=0,875.

Для оценки влияния коэффициента наполнения на мощностные и экономические показатели двигателя, проанализируем известную формулу индикаторной мощности:

Аг, = ''< з^""' , кВт, (12)

где р, - среднее индикаторное давление действительного цикла, МПа; ^ ~ Рабочий объем одного цилиндра, л; п - частота вращения коленчатого вала, мин"'; /- число цилиндров; г - тактность двигателя.

В свою очередь, индикаторное давление

Л = (13)

и ■ 10

где Н„ - теплотворная способность (низшая теплота сгорания) топлива, кДж/кг; индикаторный КПД; а - коэффициент избытка воздуха; 10 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг возд./кг.

С учетом выражения (13) получим

д, = ни ■ V, -Ро'Л, _ кВт. (14)

а-10 ЗОг

Величины //„, /о, /', т зависят от типа и конструкции двигателя. Тогда для карбюраторного двигателя индикаторная мощность есть функция от четырех переменных параметров

= (15)

Таким образом, изменяя параметры рабочего процесса повышением р„ и »/„ можно увеличить индикаторную мощность и, как следствие, эффективную мощность двигателя, что следует из соотношения

Л^ЛГ-^.кВт, (16)

где г]м - механический КПД двигателя.

В формуле (14) произведение а. /о » - это количество теплоты

(кДж), подведенное с топливом за цикл. Степень эффективности использования теплоты в действительном цикле ДВС оценивается индикаторным КПД:

Р,.у„ (17)

П> вт вт ' где - индикаторная работа цикла, кДж.

Таким образом, как следует из анализа формул (12) - (17), увеличение коэффициента наполнения (г/г) и плотности свежего заряда (ра) способствуют повышению индикаторного (//,) и эффективного (г]с"1гЦм) КПД двигателя.

Топливная экономичность двигателя оценивается удельным индикаторным (#,) и удельным эффективным (¿*с) расходами топлива, которые находятся в обратной зависимости от индикаторного КПД:

3600 / О

,г/кВ гч; (18)

3600 3600 8, = „ „ „ = 77—-. г/кВт-ч. (19)

Таким образом, выполненный теоретический анализ показателей ДВС показывает, что наличие оксидированного слоя на днище поршня ДВС приведет к снижению температуры подогрева заряда (АТ), по сравнению с типовым поршнем и, соответственно, к повышению коэффициента наполнения, что позволит улучшить эксплуатационные показатели двигателя.

Результаты теплового расчета показывают, что использование поршней с оксидированным днищем при работе двигателя УМЗ — 417 в номинальном режиме позволяет снизить удельный эффективный расход топлива на 8,7 %, увеличить эффективную мощность на 4,6 % и эффективный коэффициент полезного действия на 8,5 %.

Полученные результаты расчетов показателей двигателя использовались для расчета показателей эксплуатационных свойств автомобиля и, в частности, путевого и транспортного расходов топлива

Известно, что путевой расход топлива равен

а, = , л/100 км, (20)

74 10-орт

где - удельный эффективный расход топлива на конкретном нагрузочно-скоростном режиме, г/кВт-ч; - мощность двигателя, необходимая для движения автомобиля на данном режиме, кВт; и - скорость автомобиля, км/ч; рт-плотность топлива, кг/л.

В свою очередь расход , мощность Л„ и скорость и определяются по известным формулам:

К = -к-вч-

К-Р-и2^

кВт; (21)

3600-77^ ^ 13

= г/кВтч; (22)

о = 0,377 км/ч, (23)

где ijir — КПД трансмиссии автомобиля; у/ - коэффициент суммарного сопротивления дороги: G - эксплуатационный вес автомобиля, кг; К - коэффициент обтекаемости, Н е2 м"4; F - площадь лобового сопротивления, м2; Кт Кц-коэффициенты, учитывающие влияние соответственно скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя на расход топлива; ge - удельный эффективный расход топлива по внешней скоростной характеристике двигателя, г/кВт-ч; пе - частота вращения коленчатого вала, мин"1; гк — радиус качения ведущих колес автомобиля, м; i№ - передаточное число трансмиссии автомобиля.

С учетом выражений (21) - (23) в окончательном виде путевой расход топлива будет определяться но формуле

<7Л = А'„ • KN ■ „36° 'N" , л/100 км. (24)

Из формулы (24) следует, что расход уменьшается вследствие увеличения эффективного КПД, как это было установлено ранее из анализа формул (12) - (17).

Рассуждая аналогичным образом, получим формулу для расчета транспортного расхода топлива

= 360-K„.Kn-N„ il/100.rKM7 (25)

На-П.и-Рт<1н-гРп

где у — коэффициент использования грузоподъемности (принимался для сельскохозяйственных ipyjoa у = 0,8); fin - коэффициент использования пробега (fin = 0,5); qH- номинальная грузоподъемность автомобиля (qH = 0,8 т).

Результаты расчета показателей топливной экономичности автомобиля показывают, что например, при движении на 3-Й передаче со скоростью 40 км/ч путевой расход топлива снижается с 17,8 л/100 км у автомобиля с типовыми поршнями до

16.6 л/100 км у автомобиля с оксидированными поршнями (на 6,7 %); транспортный расход топлива снижается с 55,7 л/100 т-км до 52 л/100 т- км (на 6,6 %).

При движении на 4-й передаче со скоростью 60 км/ч расчетное значение путевого расхода qs снижается с 14,3 л/100 км до 13,5 л/100 км (на 5,6 %); со скоростью 80 км/ч — с 14,5 л/100 км до 13,6 л/100 км (на 6,2 %); со скоростью 90 км/ч - с 15,4 л/100 км до 14,4 л/100 км (на 6,5 %). Транспортный расход топлива qw при скорости 60 км/ч снижается с

44.7 jl/100 т-км до 42,3 л/100 т-км (на 5,4 %); при скорости 80 км/ч - с 45,2 л/100 т-км до 42,6 л/100 т-км (на 5,8 %); при скорости 90 км/ч - с 48,2 л/100 т-км до 44,9 л/100 т-км (на 5,8 %).

В т ретьем разделе «Програлша и методика экспериментальных исследований» разработана общая программа исследований, которая, включает лабораторные исследования опытных образцов поршней с оксидированным днищем, сравнительные стендовые исследования бензинового двигателя УМЗ-417 и эксплуатационные исследования автомобилей УАЗ-ЗЗОЗ, укомплектованных двигателями в штатной (типовые поршни) и экспериментальной (поршни с оксидированным днищем) комплектации.

Лабораторные исследования проводились для определения влияния режимов микродугового оксидирования на формирование оксидированного слоя, его толщины, микротвердости, структуры, изменения температуры поршня и элементного состава.

МДО днищ поршней проводилось в лаборатория ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по рекомендованным режимам согласно технического задания.

Днище поршня помещают в электролитическую ванну с водным раствором электролита. Ток подводят на электроды, один из которых (анод) закреплен на обрабатываемом поршне, другой (катод) на внутренней поверхности ванны. При взаимодействии электрического тока, электролита и материала днища поршня происходит

формирование покрытия на его поверхности. По мере формирования покрытия на днище поршня его одновременно перемещают относительно свободной поверхности электролита, при этом противоположную сторону днища поршня охлаждают сжатым воздухом. Это обеспечивает равномерную скорость охлаждения поршня и, как следствие, одинаковые условия формирования покрытия на всем этапе оксидирования.

Описанный способ МДО с параметрами и режимами, обоснованными теоретическим и экспериментальным путем, защищен патентом РФ на изобретение № 2439211.

Обработка результатов лабораторных исследований по обоснованию режимов МДО проводились с использованием программы «Statistica-6.0».

Определение микротвердости оксидированного слоя проводили методом восстановленного отпечатка с использованием прибора ПМТ-ЗМ на поперечных микрошлифах по толщине оксидированного слоя по ГОСТ 9450-76.

Для исследования пористости использовали метод оценки степени окраски соединений основного металла или металла подслоя при взаимодействии с реагентом. Определение пористости днища поршня проводили по ГОСТ 9.302-88. Перед определением пористости поршни обезжиривали этиловым спиртом, промывали дистиллированной водой и высушивали на воздухе. Затем протравливали раствором состоящим из калия железоеинеродистого - 3 г/дм"'; натрия хлористого - 10 г/дм3. При проведении контроля, днище поршня погружали в раствор и выдерживали в течение 5 мин при температуре 22 °С. Образцы с участками розовых пятен промывали, высушивали и затем исследовали под микроскопом с 20-ти кратным увеличением.

Для определения температуры нагрева днища поршня проводились сравнительные лабораторные исследования типового поршня и поршня с оксидированным днищем. Изменение температуры днища поршня при нагреве проводили с использованием нагревательного прибора LPO-400, встроенной термопары и цифрового муль-тиметра М 890G с погрешностью измерения 0,75%. Термопара крепилась на внутренней части днища поршня по оси симметрии в предварительно высверленном отверстии диаметром 3 мм и глубиной 1 мм от поверхности днища поршня. Цилиндр с отверстием для установки термометра, с пределами измерения от 273 до 573 К, которым фиксировали температуру песка, устанавливался в песчаную ванну. Исследуемый поршень устанавливался в цилиндр с предварительной теплоизоляцией канавок под поршневые кольца. Температуру речного песка и внутренней поверхности днища поршня фиксировали через каждые 60 секунд. Исследования проводились до температуры 230 °С, соответствующей средней температуре в центральной части днища поршня в условиях эксплуатации двигателей УМЗ-417.

Анализ структуры и элементного состава фрагмента оксидированного образца осуществлялся методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) с рентгеновским микроанализом по ГОСТ 8.452-82. Для проведения исследований использовался измерительный комплекс, в составе: растрового автоэмиссионного микроскопа Zeiss SUPRA 55VP (сертификат соответствия Zeiss SUPRA WDS 55VP Serial No. 3096 no DIN EN ISO 9001 номер 278002 QM), спектрометров Inca энергодисперсионного Energy 350, волнового Wave 500 и регистрационно-дифракционного анализатора отраженных электронов HKL EBSD Premium System (сертификат соответствия Oxford Instruments по BS EN ISO 9001:2000 номер FM 29142), специальная мера перехода и ширины марки МШПС-2.0К (рег.номер 33598-06 в Госреестре средств измерений). Объект исследований представлял собой излом образца размером примерно 5x5x10 мм. Для получения картины топографического контраста оксидированный образец

тщательно промывали растворителем и обезжиривали при ультразвуковой очистке во избежание загрязнения углеводородами. Исследуемый образец был помещён в вакуумную камеру микроскопа изломом вверх.

Сравнительные стендовые исследования бензинового двигателя в штатной и экспериментальной комплектации проводились по ГОСТ 14846-81 на тормозном стенде КИ-5543 ГОСНИТИ со штатными контрольно-измерительными приборами (рис.3).

В состав ИРК входили измерители температуры (тестер - мультиметр М 890 С) окружающего воздуха и эксплуатационных материалов (охлаждающей жидкости, моторного масла в главной масляной магистрали, температуру выхлопных газов измеряли с помощью термопары ТХК), расходомер топлива, датчики (ВМТ, давления газов, температуры охлаждающей жидкости и масла), газоанализатор Инфракар М1-01. Сигналы с датчиков передавались через аналого-цифровой преобразователь ЬА-1,5РС1 на ПЭВМ.

Показатели двигателя при стендовых исследованиях определялись в условиях скоростной и нагрузочной характеристики. Показатели нагрузочной характеристики двигателя определяли при частоте вращения коленчатого вала 2500 мин , так как эта частота соответствует максимальному крутящему моменту по внешней скоростной характеристике двигателя УМЗ-417 и рекомендована заводом-изготовителем при снятии контрольных течек.

Рисунок 3 - Экспериментальная моторная установка: а) общий вид; б) измерительно-

регистрирующий комплекс

Сравнительные эксплуатационные исследования автомобилей УАЗ-ЗЗОЗ с двигателями в штатной (штатный комплект поршней) и экспериментальной (поршни с оксидированным днищем) комплектации, проводились для определения эксплуатационных показателей автомобиля по ОСТ 37.001.480-88 и РД 37.052.074-87.

Например, путевой расход топлива а условиях эксплуатации определяли по выражению

- =100,е=1°0"У^,л/100км. (26)

где Q - объем топлива, израсходованного при испытаниях, см3;длина мерного участка, м (8=1000 м); тТ- масса топлива, г, р,— плотность топлива при 20 °С, г/см .

В четвертом разделе «•Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приведены и проанализированы результаты лабораторных, моторных и эксплуатационных исследований.

Обработка результатов исследования влияния режимов МДО (плотности тока, напряжения, времени оксидирования), температуры и концентрации электролита на толщину и состав оксидированного слоя по обоснованию режимов МДО проводились с использованием программы «БтйяИеа-б.О» (рис. 4,5).

'Ъ -<-с f

Рисунок 4 - Зависимость толщины Рисунок 5 - Зависимость толщины

оксидированного слоя (8) от >уютности оксидированного слоя (5) от

тока (i) и температуры электролита (Г) концентрации электролита (Q) и

температуры электролита (Т) В результате анализа данных зависимостей было установлено, что толщина оксидированного слоя 8 мкм достигается при следующих значениях основных параметров и режимов МДО: концентрация ортофосфорной кислоты в водном растворе - 180 г/л; плотность тока - 4 А/дм2; напряжение, подаваемое к днищу поршня, - 250 В; температура электролита - 25 °С; время оксидирования - 30 минут. Общий вид комплекта поршней представлен на рис. 6."

Рисунок 6 ~ Общий вид комплекта поршней с оксидированным днищем

В результате анализа микрошлифа определено, что толщина оксидированного слоя в среднем составила X мкм (рисЛ), а микротвердостъ поверхностного слоя увеличилась на 34,4 % и составила - 840 МПа (рис, 8).

Hv. МПа 1000

ВТиповой поршень В Оксидированный поршень Рисунок 8- Изменение микротвердости днища поршня

Рисунок 7 Структура оксидированного днища поршня: 1-оксидированный слой; 2 - днище поршня

ч

3 4 5 6 7 8

Пористость Р, %

9 10

Рисунок 9 - Влияние плотности тока 0) на пористость оксидированного слоя (Р)

^ШДП: ^

/

А

/ * У

5г

<8

I?-1

Гш

При увеличении плотности тока от 1 до 4 А/дм2 происходит рост кристаллов в покрытии и повышение пористости (рис. 9). Дальнейшее повышение плотности тока сопровождается увеличением числа и мощности микродуговых разрядов, в результате чего оксиды кремния, содержащиеся в электролите, имея меньшую температуру плаапения, заполняют поры в покрытии и увеличение плотности тока с 4 до 8 А/дм2 сопровождается снижением пористости оксидированного слоя.

Определение температуры нагрева поршня проводилось при наличии масляной пленки на внутренней поверхности днища поршня.

В результате проведенных исследований установлено, что температура внутренней поверхности днища типового и поршня с оксидированным днищем при нагреве до температуры 70 °С изменяется незначительно. С повышением температуры разница увеличивается и при ншреве днища поршня до температуры 230 °С составляет 25 %

м а) то ю по 1зо 1« по т п» Тиши.°С

■о-оксиаировгшный — оксид^ованньш с масляной пленкой — типовой - - -таловой с масляной пленкой

Рисунок 10- Зависимость температуры днища (Рис- '")■ поршня от температуры внутренней поверхности днища поршня и времени нагрева

Исследования элементного состава поверхности излома и особенностей её микроструктуры показало, что полученное микродуговым оксидированием покрытие неоднородно по своему сечению, оксидированный слой (рис. 11) имеет большую пористость, чем матричный слой поршня (рис. 12).

Рисунок 11 -Микрофотография поверхности излома оксидированного слоя

Рисунок 12 - Микрофотография поверхности излома матрицы оксидированного поршня

Слой имеет хорошую адгезию с поверхностью алюминиевого сплава, трещин на границе контакта матрица - оксидированный слой не наблюдается, четко просматривается взаимное проникновение оксидированного слоя в матрицу (материал поршня). Толщина оксидированного слоя составляет в среднем 8 мкм.

По результатам элементного состава в атомных концентрациях, нормализованных к 100 %, с учётом всех зарегистрированных элементов, установлено, что основными элементами исследованного материала являются кремний и алюминий.

В качестве примесей встречаются магний, железо, медь (таблица 1). Содержание кислорода в оксидированном слое днища поршня увеличилось до 13,82 единиц, а в матрице - с 1,04 у типового поршня, до 2,6 - у оксидированного, что свидетельствует о образовании корунда (А120з) в оксидированном слое.

Таблица 1 - Элементный состав исследуемых образцов поршней

Наименование участка Содержание элементов (ат.%)

С О Мр А1 Si Си

Типовой поршень Днище 7,86 2,08 0,32 58.28 38,92 0.13

Матрица 7,64 1,04 0,36 64,84 32.96 0,12

Оксидированный поршень Днище 8,13 13.82 0,21 54.06 20.19 0.16

Матрица 7,76 2,60 0,33 57.49 35,13 0,13

По результатам сравнительных стендовых исследований ДВС построены скоростные (рис. 13) и нагрузочные (рис. 14) характеристики двигателей, оснащённых штатными и оксидированными поршнями.

Анализ скоростных характеристик показывает, что наблюдается рост эффективной мощности двигателя (Nj, оснащенного поршнями е оксидированным днищем, во всем диапазоне скоростного режима Так при частоте вращения коленчатого вата 4200 мин"1, мощность составила N, = 63,7 кВт, тогда как у двигателя, оснащенного типовыми поршнями ,Ve = 60,7 кВт. Максимальный крутящий момент (МТ<). при частоте вращения 2500 мин" . составил 180 Н-м у двигателя с оксидированными поршнями и 171 Н-м у двигателя с типовыми поршнями.

в) удельный эффективный расход топлива (%е) г) часовой расход топлива (0Т) ♦ - типовые поршни; о - поршни с оксидированным днищем Рисунок 13 - Внешняя скоростная характеристика двигателя, оснащенного типовыми и поршнями с оксидированным днищем

Удельный эффективный расход топлива при оборотах 2500 мин"', у двигателя с оксидированными поршнями, снизился на 8,8 % и составил 260,8 г/кВтч, тогда как у двигателя с типовыми поршнями он равен 286,2 г/кВт ч. Часовой расход топлива (Ор при номинальной частоте вращения 4200 мин"', составил 20 кг/ч у двигателя с оксидированными поршнями и 20,93 кг/ч у двигателя с типовыми поршнями.

Анализ нагрузочных характеристик (рис.14) показывает, что часовой расход топлива на режиме малых нагрузок у двигателя, с поршнями с оксидированным днищем, составил 3,83 кг/ч при минимальной мощности 6,17 кВт и оборотах 2500 мин"1, против 3,87 кг/ч у двигателя с типовыми поршнями при мощности 5,22 кВт. Удельный эффективный расход, на том же режиме, составил соответственно 621,88 и 741,28 г/кВт • ч. Наблюдается и разное содержание оксида углерода (СО) и углеводородов (СН) в отработавших газах. У двигателя, оснащенного поршнями с оксидированным днищем, по сравнению с типовыми, снижение СО составило в среднем 8 %, а СН - 11 %.

2 о

О 10 20 30 40 Ке.1Вт а) часовой расход топлива (йг)

Г/ЕВТ'Ч 700 600 500 400

о 10 20 30 40 №. кВт

6) удельный эффективный расход топлива (

со,» 2.5

п=2500 мин"1 1

1

мин"1 1

Ч У"

10 20 30 40

в) оксид углерода (СО) ♦ — типовые поршни ;

г) углеводород (С.Н) с - поршни с оксидированным днищем

Рисунок 14 - Нагрузочная характеристика двигателя, оснащенного типовыми и поршнями с оксидированным днищем

По результатам сравнительных эксплуатационных исследований построена топливная характеристика автомобилей УАЗ-ЗЗОЗ с двигателем УМ 3-417, укомплектованных штатными и поршнями с оксидированным днищем (рис. 15).

ч«.

лЛИП |

* 17 16,5 16 15,5 15 14,5

4 у 1

1

Г

т

50 60 70

~ типовые поршни

80 90 100

Э— оксидированные поршни

Рисунок 15 - Топливная характеристика автомобиля

Анализ полученных данных [¡оказывает, что лугевой расход топлива автомобиля с двигателем, оснащенным поршнями с оксидированным днищем, при скорости 80 км/ч, составил 14,9 л/100 км, что на 5,1% ниже чем у автомобиля с двигателем, оснащенным штатными поршнями, расход которого, при той лее скорости составил 15 7 л/100 км.

Сходимость показателей топливной экономичности автомобиля, полученных расчетным и экспериментальным путем, составляет 90 - 93 %.

. Таким образом, использование поршней с оксидированным днищем позволяет уменьшить часовой и удельный эффективные расходы топлива в среднем соответственно на 4,4 % и 8,8 %, снизить содержание в отработавших газах оксида углерода и углеводородов соответственно на 8 % и 11 %, по сравнению с работой двигателя, оснащенного типовыми поршнями. Путевой расход топлива автомобиля с двигателем, осна-

шенным поршнями с оксидированным днищем на 5,1% ниже чем у автомобиля с двигателем, оснащенным штатными поршнями.

В пятом разделе «Оценка экономической эффективности работы автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ с двигателем оснащённым поршнями с оксидированными днищами» приводится экономический расчёт работы автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ с двигателем УМЗ-417, оснащённым поршнями с оксидированными днищами, при этом годовая экономия только за счёт снижения затрат на топливо составит 13424 руб.

Общие выводы

1. Рассмотрено влияние режимов микродутовош оксидирования (сила и плотность тока, напряжение, концентрация электролига и время оксидирования) на толщину и пористость оксидированного слоя днища поршня. Теоретически установлено, что толщина оксидированного слоя будет прямо пропорциональна напряжению и составу электролита. Пористость будет прямо пропорциональна силе тока и обратно пропорциональна напряжению. Изменяя силу тока, напряжение и время процесса можно получать оксидированные слои необходимой толщины и пористости.

Теоретически обоснованы режимы МДО: концентрация оргофосфорной кислоты в водном растворе - 180 г/л, плотность тока - 3.. .4 А/дмг, напряжение, подаваемое к днищу поршня, - 250 В, температура электролита - 20.. .25 "С, время оксидирования - 30 минут.

2. В результате расчетов установлено, что снижение температуры поршня с оксидированным днищем, по сравнению с типовым, составляет 88 С.

Выявлена аналитическая зависимость влияния оксидированного слоя днища поршня ДВС на температуру подогрева заряда, по сравнению с типовым поршнем, и, соответственно, на изменение коэффициента наполнения, и эксплуатационные показатели двигателя. На основании проведенных расчетов установлено, что изменение температуры подогрева заряда имеет линейную зависимость от изменения ншрева оксидированного днища поршня.

По результатам теплового расчета установлено, что оснащение двигателя УМЗ - 417 поршнями с оксидированным днищем позволит повысить коэффициент наполнения ДВС, оснащенного поршнями с оксидированным днищем на 0,012, по сравнению с ДВС с типовыми поршнями и, соответственно, снизить эффективный удельный расход топлива на 8,7 % эффективный часовой расход на 4 %. увеличить эффективную мощность на 4,6 %, эффективный коэффициент полезного действия на 8,5 %.

Результаты расчета эксплуатационных показателей автомобиля, оснащенного поршнями с оксидированным днищем, показывают, что нугесой и транспортный расходы топлива, в зависимости от скоростного и нагрузочного режима движения автомобиля, уменьшаются на 5 - 7 % по сравнению с автомобилем, оснащенным типовыми поршнями.

3. В результате проведенного оксидирования поршней, при теоретически обоснованных режимах МДО, получен оксидированный слой на днище поршня толщиной 8 мкм, пористостью 10 % и микротвердостью 840 МПа.

Результаты лабораторных исследований полученного оксидированного слоя показывают, что покрытие неоднородно по своему сечению, имеет большую пористость, чем матричный слой поршня, хорошую адгезию с поверхностью алюминиевого сплава, трещин на границе контакта матрица - оксидированный слой не наблюдается, четко просматривается взаимное проникновение оксидированного слоя в матрицу.

По результатам элементного состава в атомных концентрациях, нормализованных к 100 %, установлено, чга основным элементом исследованного материала является кремний и апюминий (соответственно 20,19 и 54,06). Содержание кислорода в оксидированном слое дншца поршня увеличилось до 13,82 единиц, а в матрице - с 1,04 у типового поршня,

до 2,6 - у оксидированного.

Температура нагрева оксидированного поршня на 25 % ниже температуры нагрева типового поршня.

4. Экспериментальная опенка влияния оксидирования днищ поршней на технико-эксплуатационные показатели ДВС по результатам сравнительных моторных исследований показала, что эффективная мощность двигателя, оснащенного поршнями с оксидированным днищем, при номинальной частоте вращения коленчатого вала 2500 мин"', увеличилась на 4,8 %, часовой и удельный эффективный расходы топлива соответственно уменьшился на 4,4 % и 8,8 %, содержание в отработавших газах оксида углерода и углеводородов соответственно снизилось на 8 % и 11 % по сравнению с работой двигателя, оснащенного типовыми поршнями.

Сравнительные эксплуатационные исследования автомобилей УАЗ-ЗЗОЗ с двигателем УМЗ-417, укомплектованных поршнями с оксидированным днищем и штатными поршнями, показывают, что средний путевой расход топлива уменьшается на 5,1 %.

Сходимость показателей топливной экономичности автомобиля, полученных расчетным и экспериментальным путем, составляет 90 - 93 %.

Использование на автомобиле УАЗ-ЗЗОЗ двигателя УМЗ-417, оснащенного поршнями с оксидированным дпишем, позволяет получить годовую экономию, только за счёт снижения затрат на топливо, в размере 13424 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации е изданиях, рекомендованных ВАК

1. Степанов, В.А. К обоснованию снижения теплонапряженности поршня двигателя методом микродугового оксидирования днища / В.А. Степанов, А.Л. Хохлов, A.A. Глушенко, P.A. Зейнетдинов // Известия МААО. -2013 - №6, Т I.-C. 154-158.

2. Степанов В.А. Влияние режимов микродугового оксидирования на образование оксидированного слоя / В.А. Степанов, А.Л. Хохлов, Д А. Уханов, A.A. Глушенко, Д М Марьин//Вестник УГСХА.-2013. -№3(23). - С. 128-131.

3. Степанов В.А. Повышение технико-эксплуатационных показателей ДВС модернизацией цилиндропоршневой группы / В.А. Степанов, А.Ш. Нурутдинов, А.Л. Хохлов, Д.А. Уханов, О.М. Каняева // Вестник СГАУ им. Н.И. Вавилова. - 2013. - №11. - С. 56-59.

Патенты РФ на изобретение и полезную модель

4. Патент № 2439211 Российская Федерация, МПК C25D11/08 C25D11/26 F02F3/12 Способ обработки поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминия, титана и их сплавов / И.А. Казанцев, А.О. Кривенков, С.Н. Чугунов. А.Л. Хохлов, В.А. Степанов. К.У. Сафаров. - К» 2010140537/02; заявл. 04.10.2010; Опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1.

5. Патент на полезную модель № 130003 Российская Федерация, МПК F02F 3/10. Поршень двигателя внутреннего сгорания / Д.М. Марьин, А.Л. Хохлов, Д А. Уханов. В.А. Степанов, А.Ш. Нурутдинов, A.A. Хохлов. № 2012151171. Заявл. 28.11.2012 онубл 10.07.2013, Бюл. № 19.

Публикации в других изданиях

6. Степанов, В.А. Мнкродуговое оксидирование поверхности деталей из ашо.чиние-вых сплавов / В.А. Степанов, А.Л. Хохлов, К.У. Сафаров // Сб. материалов II - й Открытой Всероссийской НПК молодых ученых. 4.2 «Молодежь и наука XXI века». - Удьяновск-УГСХА, 2007. - С. 203-207.

7. Степанов, В.А. Теоретическое обоснование влияния теплонапряженности на износ деталей цилиндропоршневой группы / В.А. Степанов, А.Л. Хохлов, К.У. Сафаров, A.A. Сим-дянкин // Сб. материалов Международной НПК «Наука в современных условиях: от идеи до внедрения». - Димитровград: ТИ-фшшал УГ СХА, 2008. - С. 36-41.

8. Степанов, В.А. Установка для исследования поверхности трения деталей цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания / В.А. Степанов, АЛ. Хохлов, К.У.

Сафаров, А.Л. Симдянкин, Е.Н. Прошкин // Сб. материалов Международной НГ1К «Наука в современных условиях: от идеи до внедрения». - Димитровград: ТИ-филиал УГСХА, 2008. -С. 41-43.

9. Степанов, В.А. Теоретические закономерности и механизм формирования модифицированного слоя методом микродугового оксидирования / В.А. Степанов, А.Л. Хохлов, К.У. Сафаров // Сб. материалов Международной НПК «Наука в современных условиях: ог идеи до внедрения». - Димитровград: ТИ-филиал УГСХА, 2008. - С. 43-48.

10 Степанов, В.А. Способы снижения теилонапряженности поршней / В.А. Степанов, А.Л. Хохлов, Д.М. Марьин, Е.Н. Прошкин // Сб. материатоп Международной НПК «Наука в современных условиях: or идеи до внедрения». - Димитровград: ТИ-филиал УГСХА, 2012. - С. 85-88.

И. Степанов, В.А. Мпкродуговое оксидирование как способ снижения теплонапря-женносги поршней ДВС / В.А. Степанов, Д А. Уханов, А.Л. Хохлов, Д.М. Марьин // Сб. материалов 26-го Международного НТС имени В.В. Михайлова «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники». - Саратов: СГАУ, 2012. - С. 154-156.

12. Степанов, В.А. Мпкродуговое оксидирование / В.А. Степанов, А.Л. Хохлов, К.У. Сафаров, Д.М. Марьин, A.11I. Нурутдинов // Сб. материалов XVI Международной заочной 11ПК «Инновации в науке». Часть 1. -Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. -С. 121-127.

13. Степанов, В.А. Результаты анализа структуры и элементного состава поршня с оксидированным днищем / В.А. Степанов, А.Л. Хохлов, Д.М. Марьин, А.А. Хохлов, А.В. Пугач // Сб. материалов XVI Международной заочной НПК «Инновации в науке». Часть 1. - Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. С. - 109-116.

14. Stepanov V.A. Decrease in hazardous emission in exhaust gases of the explosion engine / V.A. Stepanov, D.M. Maryin, A.L. Khoklilov, A.A. Glushchenko // Materials of the III international research and practice conference «Science and Education». - Munich, Germany: Publishing House «Verlag Waldkraiburg», 2013. - P.139-142.

15. Степанов, В.А. Распределение тепловых потоков в поршне с оксидированным днищем / Д.М. Марьин, А.Л. Хохлов, ДА. Уханов, В.А. Степанов // Сб. материалов 27-го Международного НТС имени В.В. Михайлова «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники». - Саратов: СГАУ, 2013. - С. 119-121.

16. Stepanov V.A. Improving operational characteristics of cars using the micro-arc oxide coating of piston tops of engines / V.A. Stepanov // Science and World. - Volgograd: Publishing House «Scientific survey», 2014. - P. 115-117.

Подписано в печать 11.02.2014 г. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета в Пензенской мини-типографии 440600, г. Пенза, ул. Московская, 74, к.304.

ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия

им. П.А. Столыпина»

0420*1456975

На правах рукописи

Степанов Виктор Александрович

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ ДНИЩ ПОРШНЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.03 - технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Хохлов А.Л.

Пенза-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ................................ 5

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 6

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ...... 12

1.1 ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЕЙ" ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.............................................. 12

1.2 АНАЛИЗ КОНСТРУКТОРСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПОРШНЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ..................................................................... 20

1.3 МИКРОДУГОВОЕ ОКСИДИРОВАНИЕ ДНИЩ ПОРШНЕЙ КАК СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.... 29

1.4 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................... 39

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТОДОМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ ДНИЩ ПОРШНЕЙ......................................................... 41

2.1 ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОКСИДНОЙ ПЛЕНКИ НА ДНИЩЕ ПОРШНЕЙ......................................................... 41

2.2 ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ ОКСИДИРОВАННОГО СЛОЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОРШНЯ............................ 46

2.3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ НА ТОЛЩИНУ И' ПОРИСТОСТЬ ОКСИДИРОВАННОГО СЛОЯ ДНИЩА ПОРШНЯ........................................................................ 55

2.4 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОКСИДИРОВАНИЯ ДНИЩ ПОРШНЕЙ НА ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ

ПОКАЗАТЕЛИ АВТОМОБИЛЯ........................................... 61

ВЫВОДЫ......................................................................". 75

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................................................... 76

3.1 ПРОГРАММА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ... 76

3.2 МЕТОДИКА МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ ДНИЩ ПОРШНЕЙ...................................................................... 76

3.3 МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОКРЫТИЯ ДНИЩА ПОРШНЯ.......................................... 78

3.3.1 Методика определения микротвердости покрытия днища поршня........................................................................... ' 78

3.3.2 Методика определения пористости покрытия днища поршня....... 79

3.3.3 Методика определения температуры нагрева днища поршня....... 80

3.3.4 Методика определения структуры и элементного состава фрагмента оксидированного образца...................................... 82

3.4 МЕТОДИКА СТЕНДОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДВИГАТЕЛЯ ОСНАЩЁННОГО ОКСИДИРОВАННЫМИ ПОРШНЯМИ.......... 83

3.4.1 Оборудование и приборное обеспечение................................. 83

3.4.2 Методика подготовки двигателя УМЗ-417 к сравнительным стендовым исследованиям.................................................. ' 87

3.4.3 Обработка результатов стендовых исследований бензинового двигателя, оснащённого типовыми и оксидированными поршнями........................................................................ 89

3.5 МЕТОДИКА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АВТОМОБИЛЕЙ, ОСНАЩЁННЫХ ДВИГАТЕЛЯМИ С

ТИПОВЫМИ И ОКСИДИРОВАННЫМИ ПОРШНЯМИ............ 90

ВЫВОДЫ....................................................................... 93

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ................................... . 95

4.1 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ

f

МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ОКСИДИРОВАННОГО СЛОЯ НА ДНИЩЕ ПОРШНЯ....................................................................... 95

4.2 РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОКСИДИРОВАННОГО СЛОЯ ДНИЩА ПОРШНЯ................... 105

4.2.1 Результаты исследования толщины оксидированного слоя......... 105

4.2.2 Результаты исследования микротвердости оксидированного слоя днища поршня.................................................................. 105

4.2.3 Результаты исследования температуры нагрева поршня с оксидированным днищем.................................................... 106

4.2.4 Результаты исследования пористости оксидированного слоя днища поршня................................................................. 108

4.2.5 Результаты исследований структуры и элементного состава оксидированного слоя днища поршня................................... 109

4.3 РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНЫХ МОТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ, ОСНАЩЕННЫХ ТИПОВЫМИ ПОРШНЯМИ И ПОРШНЯМИ с. ОКСИДИРОВАННЫМИ ДНИЩАМИ................................. 113

4.4 РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АВТОМОБИЛЕЙ ОСНАЩЕННЫХ ДВИГАТЕЛЯМИ С ТИПОВЫМИ И ОКСИДИРОВАННЫМИ

ПОРШНЯМИ.................................................................. 116

ВЫВОДЫ........................................................................ 121

5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АВТОМОБИЛЯ УАЗ-ЗЗОЗ С ДВИГАТЕЛЕМ ОСНАЩЕННЫМ ПОРШНЯМИ С ОКСИДИРОВАННЫМ

ДНИЩЕМ...................................................................• . 123

ВЫВОДЫ....................................................................... 130

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................................... 131

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................. 134

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................................. 152

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

МДО - микродуговое оксидирование;

ЦПГ - цилиндропоршневая группа;

ВМТ - верхняя мёртвая точка;

НМТ - нижняя мёртвая точка;

ПК - персональный компьютер;

ИРК - измерительно-регистрирующий комплекс;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ТУ - технические условия;

ИП - избирательный перенос.

ВВЕДЕНИЕ

Современные тенденции в двигателестроении направлены на улучшение эксплуатационных показателей двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Это, в свою очередь, сопровождается увеличением механической и тепловой нагрузки на детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Одной из наиболее нагруженных деталей ЦПГ является поршень. Перегрев поршня приводит к преждевременному износу трущихся поверхностей, залеганию поршневых колец и их поломкам, заклиниванию поршней, прогарам днища поршня и т.п.

Поршень, поршневые кольца, гильза цилиндров являются наиболее нагруженными деталями цилиндропоршневой группы. На поршень воздействуют значительные силы, величина и направление которых определяются процессом сгорания и движением коленчатого вала. Последовательность возвратно-поступательное движение движений поршня в цилиндре, периодически ускоряясь до скорости более 100 км/ч, что соответствует перегрузке 1500...2000 а затем, замедляясь до нуля, неблагоприятно влияет на образование несущей масляной пленки, учитывая высокие температуры поршня и гильзы цилиндра. Повторяющийся цикл ускорение-замедление поршня при вращении коленчатого вала 4200 мин происходит с частотой около 150 Гц.

Сгорание топливно-воздушной смеси в бензиновом двигателе обеспечивает рабочие циклы, а максимальное давление в цилиндре может достигать 6,5...8 МПа.

Различная организация рабочего процесса из-за разных степеней сжатия и коэффициента избытка воздуха, приводит к максимальным температурам газа в камере сгорании в диапазоне 1800..2600 °С. Данная температура значительно больше температуры плавления материала сплава основе алюминия (около 700 °С), из которого изготавливается поршень. Чтобы обеспечить нормальную работу и не расплавиться, поршень необходимо интенсивно охлаждать. Это достигается посредством передачи тепла из камеры сгорания через контактирующие поверхности: стенки цилиндра, поршневые кольца, юбку и палец поршня, а также охлаждающей жидкости и маслу. При вы-

сокой температуре нагрева в поршне происходит снижение предела прочности материала. Вместе с тем, из-за перепадов температур в теле поршня, возникают термонапряжения, которые действуют совместно с напряжениями, возникающими от сил давления газов при горении и инерционных сил деталей. Чтобы поршень выдерживал эти воздействия, несущая способность и эксплуатационные качества поршня в значительной мере определяются правильным выбором материала. Материал должен удовлетворять следующим требованиям:

- низкая плотность, чтобы силы инерции возвратно-поступательно движущихся деталей оставались небольшими; для высокофорсированных автомобильных двигателей играет роль вес деталей;

- высокая теплопроводность, чтобы температуры оставались достаточно низкими;

- хорошие прочностные свойства при повышенных температурах,-чтобы обеспечить высокое сопротивление деформации и усталостному разрушению при температурах, наблюдаемых на поршне;

- хорошая износостойкость даже при высоких температурах; износ в области юбки и бобышек под поршневой палец обычно незначительный, но износ канавок под кольца может ограничить ресурс поршня;

- коэффициент теплового расширения, должен как можно меньше отличаться от соответствующего значения для чугуна, для уменьшения зазора между поршнем и гильзой цилиндра.

Поэтому исследования, направленные на разработку способов нанесения покрытий, позволяющих повысить термостойкость, адгезионную прочность деталей камеры сгорания двигателя и, как следствие, улучшить эксплуатационные показатели автомобиля, являются актуальной научной и практически значимой задачей.

Степень разработанности темы. Применение высокоэффективных и надежных покрытий рассматривается в научных работах Батищева А.Н., Новикова А.Н., Черненко В.И., Малышева В.Н., Федорова В.А., Суминова И.В.,

Гордиенко П.С., Великосельской Н.Д., Эпельфельда A.B., Казанцева И.А. и других [31, 50, 59, 60, 67, 96, 135-137, 144, 145, 149, 160, 165]. Одной из основных проблем при нанесении покрытий является непрочная связь с основой материала и, как следствие, отслаивание, вспучивание и растрескивание покрытия. Микродуговое оксидирование (МДО) поршней позволяет формировать многофункциональные покрытия, отличающиеся от исходных свойств материала по износостойкости, коррозионностойкости и теплостойкости. Применительно к поршню автомобильного двигателя оптимальные параметры оксидированного слоя (толщина, пористость и др.) не обоснованы. Также не обоснованы режимные параметры МДО для получения оксидированного слоя, обладающего необходимыми физико-механическими свойствами. Недостаточно исследовано влияние МДО на показатели рабочего цикла бензинового двигателя и эксплуатационные показатели автомобиля. Поэтому данные вопросы требуют дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

Работа выполнена по плану научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина», тема «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства» (номер государственной регистрации № 01.200.600147).

Цель исследований. Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей микродуговым оксидированием днищ поршней двигателей.

Задачи исследований:

1. Теоретически обосновать влияние режимов микродугового оксидирования на формирование оксидированного слоя на днище поршня.

2. Выполнить расчет параметров рабочего цикла ДВС и показателей эксплуатационных свойств автомобиля, оснащенного поршнями с оксидированным днищем.

3. Изготовить опытные образцы поршней автомобильного двигателя, обработанных методом микродугового оксидирования, провести лаборатор-

ные исследования механических и физико-химических свойств оксидированного слоя.

4. Провести сравнительные моторные исследования двигателя и эксплуатационные исследования автомобиля, оснащенных штатными поршнями и поршнями с оксидированными днищами, оценить технико-экономическую эффективность от их использования.

Объект исследований. Рабочий процесс автомобильного двигателя с поршнями, днища которых обработаны методом микродугового оксидирования.

Предмет исследований. Показатели двигателя УМЗ-417 и эксплуатационные показатели автомобиля Ульяновского автомобильного завода, оснащенных поршнями с оксидированным днищем.

Научную новизну работы составляют:

• теоретически и экспериментально обоснованные технологические режимы МДО, влияющие на формирование толщины покрытия, механических и физико-химических свойств оксидированного слоя;

• уточненная методика расчета параметров рабочего цикла, индикаторных и эффективных показателей двигателя, оснащенного поршнями с оксидированным днищем;

• мощностные и топливно-экономические показатели автомобильного двигателя, эксплуатационные показатели автомобиля с двигателем, оснащенным поршнями с оксидированным днищем.

Новизна технологического решения подтверждена:

- патентом РФ на изобретение № 2439211 «Способ обработки поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминия, титана и их сплавов»;

- патентом на полезную модель № 130003 «Поршень двигателя внутреннего сгорания».

Теоретическая и практическая значимость работы. Рекомендуемые режимы технологического процесса МДО днищ поршней позволяют получить оксидированный слой толщиной 8 мкм, пористостью 8... 10 %, обеспечивающий снижение температуры поршня до 25 % по сравнению со штат-

ными поршнями. Использование поршней с оксидированными днищами в двигателе УМЗ-417 снижает удельный эффективный расход топлива на 8,8 %, уменьшает путевой расход топлива автомобиля на 5,1 % при одновременном повышении эффективной мощности на 4,8 % по сравнению с двигателем, укомплектованным штатными поршнями.

Реализация результатов исследований. Поршни с оксидированными днищами переданы в ООО «Ульяновский моторный завод» для проведения длительных износных испытаний двигателя. Сравнительные моторные исследования двигателя в штатной и экспериментальной комплектациях проводились в лаборатории ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина», эксплуатационные исследования автомобилей проводились в производственных условиях ООО «Ульяновская Нива», ООО «ИНЭКС» Ульяновской области.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории двигателя внутреннего сгорания, теории автомобиля, методов математической статистики и сопоставления теоретических и экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных методик. За метод исследований принят метод сравнительных исследований двигателя в стендовых условиях и автомобилей в эксплуатационных условиях в штатной и экспериментальной комплектациях. • .

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

• аналитические зависимости по обоснованию влияния режимов микродугового оксидирования на формирование толщины и пористости оксидированного слоя;

• технологические режимы процесса оксидирования днища поршня;

• показатели бензинового двигателя и эксплуатационные показатели автомобиля с двигателем, оснащенным поршнями с оксидированным днищем.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов подтверждается лабораторными исследованиями по параметрам микротвердости, пористости, изменению температуры поршня; структуры и элементного состава оксидированного слоя днища поршня, а также стендовыми исследованиями двигателя и эксплуатационными исследованиями автомобилей с двигателями в штатной (типовые поршни) и экспериментальной (поршни с оксидированными днищами) комплектациях.

Результаты исследований доложены и одобрены на межвузовских, региональных и международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (2012 г., 2013г.), ФГОБУ ВПО «Ульяновская ГСХА» (2007г.), Технологический институт - филиал ФГОБУ ВПО «Ульяновская ГСХА» (г. Димитровград, 2008 г., 2012г.), НП «Сибирская АК» (г. Новосибирск, 2013г.), Ill international research and practice conference «Science and Education» (г. Мюнхен).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 научных работах, в том числе 3 статьи в изданиях по «Перечню...ВАК при Минобрнауки РФ». Общий объем публикаций 3,26 п.л., из них автору принадлежит 1,08 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 179 е., состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 174 наименований и приложения на 28 е., содержит 8 таблиц и 71 рисунок.

Автор считает своим долгом выразить благодарность кандидату технических наук, профессору Сафарову К.У., доктору технических наук, профессору Уханову Д.А., доктору технических наук, профессору Симдянкину А.А.-, кандидату технических наук, доценту Хохлову A.JL, кандидату технических наук, доценту Глущенко А.А., а также аспирантам инженерного факультета ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина» за помощь в разработке диссертационной работы и проведение исследований. С указанными авторами есть совместные и раздельные научные публикации.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

' При определении состояния деталей цилиндропоршневой группы требуется удостовериться в работоспособности иных деталей и систем двигателя, влияющих на стабильную работ�