CC BY
91
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
УДК 629.3.004, 621.4.004.67
Нанесение износостойких медных покрытий фрикционным методом на цилиндры двигателя легкового автомобиля
Владимир Николаевич Быстров, к.т.н, e-mail: dirunikom@mail.ru
Евгений Игоревич Деркач, аспирант, e-mail: derkach.zhenya@yandex.ru
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Представлен разработанный метод фрикционного нанесения медного покрытия на цилиндры двигателя легкового автомобиля, а также методы определения сорбционной способности медных покрытий и количества меди в технологической среде для введения в двигатель; приведены результаты моторных, динамометрических и дорожных испытаний карбюраторных двигателей автомобилей СЕАЗ, подтверждающие техническую и экологическую эффективность применения данного метода в условиях автомобильного сервиса.
Authors present the developed method of frictional copper plating on the engine cylinders of the car, as well as methods for determining the sorption ability of copper coating and amount of copper in the technological environment for introduction of engine; show the results of motor and dynamometer and road tests of sEaZ cars with carburetor engines, which prove technical and environmental efficiency of the method in conditions of car service.
Ключевые слова: автомобильный сервис, технология фрикционного нанесения, сорбция моторного масла. Keywords: automobile service, technology of frictional coating, sorption of motor oil.
Разработка технологии фрикционного нанесения покрытия на поверхности цилиндров без разборки двигателя (ТБВД) и соответствующих технологических жидкостей для введения в цилиндры двигателя является одним из путей решения проблемы восстановления технических и экологических характеристик карбюраторных двигателей легковых автомобилей в условиях автомобильного сервиса.
Анализ ранее опубликованных работ показывает, что в исследованиях, связанных с нанесением медных покрытий, не уделено достаточного внимания вопросу удержания смазочного материала поверхностью цилиндра двигателя при трении, а именно сорбции моторного масла на медном покрытии, нанесенного фрикционным способом [2]. В результате этого не было найдено объяснения повышения компрессии в цилиндрах после применения ТБВД при износах свыше 4 - 5 мкм.
С целью определения способности медной пленки удерживать моторное масло на поверхности цилиндров двигателей авторами был разработан «Метод определения сорбции моторных масел на
металлических материалах с покрытиями из меди и медных сплавов, нанесенных фрикционным способом (МСИ-1004-АТУ-2010). Способность покрытия удерживать масло оценивалась разностью между весом масла на поверхности образца без покрытия и с покрытием после центрифугирования.
В качестве приборов для проведения испытаний использовались весы аналитические с точностью измерения 0,0001 г по ГОСТ 24104-2001 и центрифуга, обеспечивающая разделение неоднородных жидких систем в поле центробежных сил. Для нанесения фрикционных покрытий на образцы использовалась дрель со специальной насадкой для крепления обрабатывающего инструмента (рис. 1) и инструмент в виде диска (рис. 2). Материал инструмента - латунь Л63; материалы образцов для испытаний - Ст45 (рис. 3), масло моторное - 8ЛБ 10^^40.
Технологическая жидкость для нанесения покрытия (по а. с. СССР № 1282960) содержит глицерин, соляную кислоту и углекислую медь в следующих соотношениях, мас %: углекислая медь 2 - 4;
°-\/<У)
^1--
о"
I
Рабочая поверхность 0 ^ ° V 40
// 0,05
+0,1 120 Л 0.32
Рис. 1. Схема нанесения покрытия фрикционного методом: 1 - дрель; 2 - инструмент; 3 - патрон; 4 - образец
соляная кислота 4 - 6; глицерин - остальное. Промывочные жидкости: бензин по НТД; ацетон по ГОСТ 2603-79.
Результаты испытаний, проведенных по разработанному методу, показали, что нанесение медных покрытий на поверхности образцов позволяет повысить способность поверхности сорбировать моторное масло до 1,5 - 2 раз.
Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что повышение герметизации пары трения «цилиндр-кольцо» ТБВД после нанесения медного покрытия происходит в результате повышения количества масла в зазоре и увеличения толщины масляной пленки.
Рабочая поверхность
2±0,2
Рис. 2. Инструмент для нанесения покрытия
Таким образом, при разработке технологических жидкостей для ТБВД критерием оценки их эффективности является способность нанесенного покрытия сорбировать моторное масло на поверхности цилиндра. Это свойство явилось основой для разработки способа восстановления технических и
Рис. 3. Опытный образец из Ст.45 (ширина 15 мм)
экологических характеристик двигателя автомобиля в условиях автомобильного сервиса и состава технологической жидкости для его реализации.
Как показано в [1], формирование медного покрытия из маслорастворимых присадок, введенных в моторное масло, - процесс достаточно длительный, что подтверждают данные по изменению компрессии в цилиндрах, полученные при эксплуатационных испытаниях ТБВД на автомобиле СЕАЗ. Замер компрессии проводился после 500 км пробега и частичной разборки. Конечный технический эффект - повышение компрессии в цилиндрах двигателя - достигался не в условиях ремонта на предприятии автомобильного сервиса, а при эксплуатации автомобиля автовладельцем. Это создает следующие препятствия на пути применения технологий, основанных на реализации избирательного переноса при трении на автосервисных предприятиях:
• автовладелец не может убедиться в эффективности ТБВД в момент присутствия при ремонте автомобиля на автосервисном предприятии;
• автовладелец, как правило, не может самостоятельно оценить эффективность ТБВД при эксплуатации автомобиля.
Для оценки результатов применения ТБВД непосредственно на предприятии автомобильного сервиса разработаны метод ускоренных динамометрических испытаний [4] и расчетно-экспериментальный метод определения экологической надежности автомобиля, позволяющие определить основные эксплуатационные характеристики автомобиля (расход топлива, содержание загрязняющих веществ в отработавших газах и другие) до и после ТБВД в присутствии автовладельца.
Нанесенное на цилиндры двигателя покрытие при ТБВД, как было показано, имеет малую толщину, поэтому при дальнейшей эксплуатации автомобиля его необходимо поддерживать за счет пополнения медью. Это реализуется путем введения в моторное масло известных маслорастворимых присадок, содержащих олеат меди (I) и олеи-
новую кислоту, например [5], чем обеспечивается физико-химическая преемственность с процессом нанесения покрытия фрикционным способом. Использование присадок, не содержащих олеата меди (I), может привести к износу покрытия, нанесенного при проведении ТБВД.
Реализация ТБВД в условиях автосервисного предприятия осуществляется введением технологической жидкости в цилиндры двигателя через свечные отверстия, поэтому вязкость технологической жидкости, с одной стороны, должна обеспечивать хорошее распределение жидкости по поверхности цилиндра, а с другой - содержать максимальное количество мелкодисперсной меди.
С учетом вышеизложенного сформулированы основные требования для разрабатываемой ТБВД. Технология безразборного восстановления двигателей для предприятий автомобильного сервиса должна обеспечивать следующее:
• максимальную сорбцию моторного масла на поверхности цилиндра;
• физико-химическую преемственность с процессом нанесения покрытия за счет присадок в моторном масле, реализующих избирательный перенос;
• динамическую вязкость технологической жидкости при температуре 20°С не более 300-10-3 Пас.
На основе этих требований к ТБВД разработан способ безразборного восстановления двигателей. Испытания при разработке состава для ТБВД проводились при варьировании содержания порошка меди ПМС-1 и медьорганической композиции с олеатом меди (I) в олеиновой кислоте по патенту РФ [5]. Максимальное содержание металлической меди в составе определялось с помощью ротационного вискозиметра «РЕОТЕСТ» с цилиндрическим измерительным устройством 81 и термостатированной рубашкой при температуре 20°С до достижения динамической вязкости п = 300-10-3 Па-с смеси олеиновой кислоты и порошка меди ПМС-1. Максимальное значение содержания меди в олеиновой кислоте по Таблица 1. Состав технологической жидкости
результатам испытаний составило 18 мас %.
Оценку состава для ТБВД проводили по максимальному значению сорбции моторного масла на образце (рис. 3) с нанесенным покрытием. При нанесении покрытия варьировали содержание порошка ПМС-1 с 2 до 15%. Результаты испытаний по определению соотношения металлической меди и композиции по патенту РФ № 2293758 показаны на рис. 4.
Д-10'4, г 30
25
20
0 5 10 15 20
Си, мае %
Рис. 4. Зависимость изменения сорбционной способности медного покрытия от содержания ПМС-1
Из приведенного рисунка видно, что сорбция масла на покрытии достигает максимального значения при 5%-ном содержании ПМС-1 в технологической жидкости, а дальнейшее повышение концентрации меди не дает ощутимого эффекта по повышению количества сорбированного на покрытии масла.
Проведенные испытания позволили разработать технологическую жидкость для ТБВД (табл. 1) и подать заявку на изобретение «Способ восстановления двигателей» № 2010118806/02 с приоритетом от 13. 05. 2010 г.
Данный способ реализуется в условиях автосервисного предприятия в следующей технологической последовательности:
Компоненты Количество компонента, мас %
Мелкодисперсный медный порошок 5
Олеиновая кислота 35
Непредельная карбоновая кислота, выбранная из ряда фракций С6 - С22 6 - 27
Соль одновалентной и двухвалентной меди непредельной карбоновой кислоты, выбранной из ряда фракций С6 - С22 1,2 - 18
Соль двухвалентного олова непредельной карбоновой кислоты, выбранной из ряда фракций С6 - С22 0,6 - 12
Вода 0,006 - 0,03
Минеральное масло 53 - 3
1) перед восстановлением определяют компрессию в цилиндрах с помощью полной инструментальной диагностики анализатором двигателя;
2) замеряют содержание загрязняющих веществ в выхлопных газах по методике динамометрических испытаний [4];
3) измеряют характеристики двигателя, включая расход топлива;
4) вводят технологическую жидкость в количестве 50 мл в каждый цилиндр;
5) включают двигатель и осуществляют прокрутку на холостом ходу в течение 30 мин;
6) двигатель выключают, осуществляют замену моторного масла, вводят металлоплакирующую присадку к смазочным композициям по патенту РФ №2293758 [5] в количестве 0,2 мас %, включают двигатель и прокручивают его на холостом ходу в течение 30 мин;
7) после применения ТБВД повторно проводят полную диагностику двигателя анализатором двигателя и замеряют содержание загрязняющих веществ в выхлопных газах по методике динамометрических испытаний.
Этот способ восстановления двигателя по ТБВД позволяет обеспечить восстановление технических и экологических характеристик сразу после обработки [3].
Для обоснования применения ТБВД в условиях автомобильного сервиса потребовалась разработка комплекса следующих методов и методик испытаний, позволяющих определять техникоэкономическую и экологическую эффективность данной технологии:
• метод определения сорбции моторных масел на металлических материалах с покрытиями из меди и медных сплавов, нанесенных фрикционным способом (МСИ-1004-АТУ-2010);
• методика моторных испытаний бензиновых двигателей легковых автомобилей с определением экологических характеристик (ММИ-1003-АТУ-2010);
• методика динамометрических испытаний легковых автомобилей с бензиновым двигателем для определения количества загрязняющих веществ в отработавших газах (МДМИ-1001-АТУ-2010);
• методика дорожных испытаний легковых автомобилей с бензиновым двигателем для определения количества загрязняющих веществ в отработавших газах (МДИ-1002-АТУ-2010);
• метод расчетно-экспериментального определения экологической надежности автомобилей с бензиновыми двигателями (МР-1005-АТУ-2010).
По итогам проведенных моторных испытаний ТБВД с использованием разработанного комплекса получены следующие результаты: повышение компрессии - от 15 до 40 %; уменьшение потребления топлива - от 15 до 20 %, снижение содержания загрязняющих веществ в выхлопных газах, в том числе оксида углерода (СО) - от 30 до 75%, углеводородов (СпНт) - от 30 до 50%.
Результаты моторных испытаний двигателя ВАЗ-1111 с пробегом более 60 тыс. км приведены на рис. 5.
Результаты моторных испытаний двигателей автомобиля СЕАЗ показали, что ТБВД обеспечивает сокращение количества загрязняющих веществ в отработавших газах в среднем на 60 %.
\
\
\ -
\
V г \
А А, /V
: Ь-< к
Ш=* <—ж—>
2500
2000
1000
1000
2000
3000 4000
а)
5000
6000
п, об/мин
1000
2000
3000
б)
4000 5000 6000
п, об/мин
Эффективная мощности двигателя (А'е) .кВт Часовой расход топлива (в.), кг/ч
Эффективный крутящий момент (Ме) , Нм Удельный расход топлива (£е), г/кВтч
Рис. 5. Результаты моторных испытаний двигателя ВАЗ-1111: а - до применения ТБВД; б - после применения ТБВД
По итогам проведенных динамометрических испытаний автомобилей с применением ТБВД выявлено снижение содержания загрязняющих веществ в выхлопных газах: оксида углерода (СО) -от 25 до 80%, а углеводородов (СтНп) - от 15 до 35%. При обработке результатов испытаний получено фактическое количество загрязняющих веществ в отработавших газах: за цикл испытаний в граммах; на 1 км пройденного пути; на 1кВт мощности двигателя. После применения ТБВД общее
Таблица 2. Количество загрязняющих веществ в отработавших газах за цикл динамометрических испытаний, г
Таблица 3. Количество загрязняющих веществ в отработавших газах за цикл динамометрических испытаний, г/км
Количество компонентов Т.КСО, Г Г , И
До применения ТБВД 18,2144312 0,1509833727
После применения ТБВД 3,42209615 0,1229711183
Количество компонентов УДсо№, г/км УДси (Ф, г/км
До применения ТБВД 14,74852729 0,1222537431
После применения ТБВД 2,770928057 0,9957175571
Таблица 4. Количество загрязняющих веществ в отработавших газах автомобиля за цикл динамометрических испытаний, г/кВт-ч
Количество компонентов X Ксо> г/кВтч X Ксн г/кВт'4 X КО г/кВт-ч
До применения ТБВД 3,090 0,005879 3,095879
После применения ТБВД 0,326 0,001034 0,327034
Таблица 5. Количество загрязняющих веществ в отработавших газах автомобиля за цикл дорожных испытаний, г/кВт-ч, г/км
Количество компонентов X К со, г/кВгч X Ксн, г/кВт-ч X КНО, г/кВт-ч X Ксо> г/км XКсн, г/км X Кш, г/км
До применения ТБВД 1,7012 0,00432 1,70552 11,7442 0,0001 11,7443
После применения ТБВД 0,3320 0,00133 0,33333 3,7208 0,1756 3,8964
содержание загрязняющих веществ в отработавших газах за цикл испытаний снижено на 80%, по сравнению с данными базовых испытаний. Результаты динамометрических испытаний, подтверждающие экологическую эффективность применения ТБВД, приведены в табл. 2, 3 и 4.
Результаты дорожных испытаний приведены в табл. 5.
Анализ результатов дорожных испытаний автомобиля СЕАЗ с пробегом более 70 тыс. км подтвердил сокращение количества загрязняющих веществ в отработавших газах за цикл испытаний на 75%, оксида углерода (СО) - от 30 до 80%; углеводородов (СН) - от 20 до 40%.
Полученные при расчете экологической надежности двигателей автомобилей СЕАЗ результаты позволили сделать вывод о повышении экологической надежности после использования ТБВД и сохранении технических и экологических характеристик автомобиля на постоянном уровне на 10 - 15 тыс. км пробега.
ЛИТЕРАТУРА
1. Балабанов В. И., Беклемышев В. И., Гамидов А. Г., Ищенко С. А., Махонин И. И., Филиппов К. В. Безразборный сервис автомобиля (обкатка, профилактика, тюнинг, восстановление). М.: Известия. 2007.
2. Быстров В. Н. Эффект безызносности и его применение в технике // Долговечность трущихся деталей машин. 1990. Вып. 5. С. 3 - 22.
3. Быстров В. Н., Деркач Е. И. Техническая эффективность нанесения покрытия фрикционным методом на цилиндры без разборки двигателя // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. Т. 6. № 3. С.48 - 52.
4. Быстров В. Н., Илюшин Р. В., Деркач Е. И., Титов В. А. Динамометрические испытания для определения экологической эффективности применения избирательного переноса при трении // Ремонт, восстановление, модернизация: Отраслевой научно-производственный журнал. М.: Наука и технология. 2010. № 2. С. 34 - 37.
5. Патент РФ №2293758. Металлоплакирующая присадка к смазочным композициям / В. Н. Быстров, Е. А. Лукашев, М. Е. Ставровский / Изобретения. 2005. № 5.
Поступила 30.06.2011 г.
