eng
Выпуск #5/2024
В.М.Ситдиков, Н.Ю.Дударева
НАНОСТРУКТУРНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
НАНОСТРУКТУРНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Просмотры: 1096
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.311.319
Исследовано влияние наноструктурного покрытия, сформированного методом микродугового оксидирования на поршнях двигателей внутреннего сгорания на токсичность отработавших газов. Выявлена роль наноразмерной пористости в механизме снижения токсичности.
Исследовано влияние наноструктурного покрытия, сформированного методом микродугового оксидирования на поршнях двигателей внутреннего сгорания на токсичность отработавших газов. Выявлена роль наноразмерной пористости в механизме снижения токсичности.
Теги: exhaust gases internal combustion engines microarc oxidation nanostructured coating toxicity двигатели внутреннего сгорания микродуговое оксидирование наноструктурное покрытие отработавшие газы токсичность
Получено: 26.06.2024 г. | Принято: 5.07.2024 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.311.319
Научная статья
НАНОСТРУКТУРНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В.М.Ситдиков1, ст. науч. сотр., нач. уч. части – зам. нач. каф., ORCID: 0009-0004-9589-4947 / ven_s80@mail.ru
Н.Ю.Дударева1, д.т.н., проф., ORCID: 0000-0003-2269-0498
Аннотация: Исследовано влияние наноструктурного покрытия, сформированного методом микродугового оксидирования на поршнях двигателей внутреннего сгорания на токсичность отработавших газов. Выявлена роль наноразмерной пористости в механизме снижения токсичности.
Ключевые слова: наноструктурное покрытие, микродуговое оксидирование, токсичность, отработавшие газы, двигатели внутреннего сгорания
Для цитирования: В.М. Ситдиков, Н.Ю. Дударева. Наноструктурное покрытие для снижения токсичности двигателей внутреннего сгорания. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 5. С. 311–319. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.311.319.
Received: 26.06.2024 | Accepted: 5.07.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.311.319
Original paper
NANOSTRUCTURED COATING FOR REDUCING INTERNAL COMBUSTION ENGINES TOXICITY
V.M.Sitdikov1, Senior Researcher, Head of the Training Unit, ORCID: 0009-0004-9589-4947 / ven_s80@mail.ru
N.Y.Dudareva1, Doct. of Sci. (Tech), Prof., Associate Professor, ORCID: 0000-0003-2269-0498
Abstract: The effect of a nanostructured coating formed by microarc oxidation on pistons of internal combustion engines on the exhaust gases toxicity has been studied. The role of nanoscale porosity in the mechanism of toxicity reduction has been revealed.
Keywords: nanostructured coating, microarc oxidation, toxicity, exhaust gases, internal combustion engines
For citation: V.M. Sitdikov, N.Y. Dudareva. Nanostructured coating for reducing internal combustion engines toxicity. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 5. PP. 311–319. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.311.319.
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшей современной проблемой, актуальной для всех стран мира, является снижение экологической нагрузки на окружающую среду. Отработавшие газы (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС), выбрасываемые в атмосферу, представляют собой одну из основных причин ее загрязнения [1]. По статистике, примерно 60% загрязнений воздушной среды вызвано работой автотранспорта. Токсичные вещества, содержащиеся в ОГ, оказывают пагубное воздействие на растительность, а также здоровье людей и животных [2]. Отработавшие газы ДВС содержат такие вредные вещества, как монооксид углерода (CO), несгоревшие углеводороды (CnHm), альдегиды, оксиды азота (NOx), твердые частицы и др. [3]. На сегодняшний день разработаны различные способы снижения токсичности ОГ ДВС: воздействие на рабочий процесс двигателя, использование альтернативных топлив, применение в системе выхлопа каталитических нейтрализаторов [4, 5]. Однако в настоящее время возможности всех вышеперечисленных способов практически исчерпаны, что не позволяет достичь современными двигателями экологических норм Евро-6 [6].
Одним из перспективных направлений по повышению экологичности поршневых двигателей является нейтрализация токсичных веществ ОГ непосредственно в камере сгорания двигателя. Такой подход позволяет увеличить эффективность уже имеющейся системы нейтрализации. Известен ряд исследований, в которых при использовании покрытий, сформированных по технологии микродугового оксидирования (МДО) для тепловой защиты алюминиевых поршней, во время работы двигателей фиксировалось снижение токсичности ОГ [7–9]. При этом использование покрытий аналогичного состава, но сформированных другими методами, например, плазменным напылением, такого воздействия на ОГ не оказывало [10]. Однако, как показал анализ научной литературы, системных исследований в этом направлении не проводилось.
Известно, что МДО-покрытия, формируемые на алюминиевых сплавах, состоят из оксидов (α-Al2O3, γ-Al2O3) и силикатов алюминия [11, 12], которые традиционно используются в катализаторах. Эти покрытия также обладают развитой пористостью [13, 14] и являются наноструктурными согласно ГОСТ Р 9.318-2013. В данной работе была сформулирована гипотеза о том, что снижение токсичности ОГ ДВС обеспечивается структурой МДО-покрытий, представленной наноразмерными порами, в которых происходит диффузия молекул и процесс катализа. На основании этого была сформулирована цель данной работы: исследовать роль структуры МДО-покрытия, сформированного на деталях камеры сгорания, во влиянии на токсичность двигателей внутреннего сгорания.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ (ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА)
В качестве экспериментальных было выбрано два бензиновых двигателя: двигатель двухтактный двухцилиндровый марки РМЗ-551i и двигатель четырехтактный одноцилиндровый, марки УМЗ-341 [15, 16]. Покрытие методом МДО формировалось на днищах поршней этих двигателей. Известно, что на качество МДО-покрытия и его структуру существенное влияние оказывает химический состав алюминиевого сплава подложки [17]. Поршень двигателя РМЗ-551i изготовлен из высококремнистого сплава иностранного производства марки М244 (АlSi26CuNiMg: Si 23–26%; Cu 0,8–1,5%; Zn – до 0,2%; Fe 0,7%; Mn 0,2%; Mg 0,8–1,3%; Ti 0,2%; Ni 0,8–1,3%) [18], а поршень двигателя УМЗ-341 изготовлен из эвтектического сплава марки АК12 (Al 84,3–90%; Si 10–13%; Fe – до 1,5%; Cu – до 0,6%; Mn – до 0,5%; Zn – до 0,3%; Mg и Ti до 0,1%) [19].
Формирование покрытия при МДО происходит в электролите, когда под действием высокого напряжения на обрабатываемой поверхности возникают искровые и дуговые разряды. В результате на поверхности детали формируется оксидный слой, называемый модифицированным, в результате чего и образуется покрытие [20]. Покрытие днищ поршней производилось при помощи специального приспособления, обеспечивающего формирование покрытия исключительно на днище поршня, защищая остальные поверхности от попадания электролита (рис.1).
Процесс МДО осуществлялся в силикатно-щелочном электролите с содержанием 4 г/л КОH и 4 г/л Na2SiO3 при емкости установки С = 400 мкФ. Время обработки поршней составляло 90 мин. Далее поршни промывали в воде и после осушки верхний рыхлый слой покрытия удалялся с помощью мелкозернистой наждачной бумаги до достижения толщины покрытия ~120 мкм. Толщина покрытий на поршнях замерялась неразрушающим способом вихретоковым толщиномером ТТ-210.
Для исследования структуры покрытий в таком же режиме МДО были обработаны образцы-свидетели, выполненные из тех же сплавов, что и поршни (М244 и АК12). Из образцов-свидетелей с покрытием были изготовлены микрошлифы. Анализ пористости и толщины покрытий проводился на основе фотографий поперечных шлифов, полученных при помощи электронного микроскопа TESCAN MIRA LMS. Пористость покрытий исследовалась при помощи обработки фотографий шлифов в программе ImageJ. Выделялась доля наноразмерных пор, диаметр которых не превышал 50 нм, так как именно в порах такого размера осуществляется процесс катализа [21].
Исследования влияния МДО-покрытия на токсичность ОГ были проведены на двигателях в режиме стендовых моторных испытаний. В процессе испытаний проводились замеры токсичности ОГ и других эксплуатационных показателей двигателей. Методика испытаний соответствовала ГОСТ 14846-2020. Для испытания двигателя РМЗ-551i была разработана и собрана испытательная установка на базе моторного стенда AVL–DP 80 (рис.2а). Двигатель УМЗ-341 испытывался по схеме, представленной на рис.2b.
Токсичность исследовалась у двигателей со штатными поршнями (без покрытия) и с поршнями с МДО-покрытием на днище (рис.3). Режимы испытаний двигателей подбирались в соответствии с их техническими характеристиками и возможностями нагрузочного стенда. На двигателе РМЗ-551i испытания проводились на 20-ти режимах, которые отличались оборотами и степенью открытия дроссельной заслонки. Обороты двигателя выбраны следующие: 2000, 3000, 4000, 5000 и 6000 об/мин. На каждом скоростном режиме степень открытия дроссельной заслонки составляла: 25, 50, 75 и 100%. На двигателе УМЗ-341 испытания проводились на 6-ти режимах: обороты коленчатого вала составляли 2400, 2700 и 3200 об/мин. Вместо открытия дроссельной заслонки устанавливалась нагрузка на генератор, которая составляла 500 Вт для 2400 об/мин, 1000 и 500 Вт для 2700 об/мин, а также 1500, 1000 и 500 Вт для 3200 об/мин. В каждом режиме с интервалом 30 с фиксировались данные по токсичности ОГ (СО, NOx, CnHm), а также СО2. Измерялись эксплуатационные показатели двигателей: расход топлива, температуры ОГ и головки блока цилиндра, количество O2 в ОГ, а также коэффициент избытка воздуха. Обработка результатов проводилась с учетом случайной и инструментальной погрешностей измерений в соответствии с теорией математической обработки экспериментальных данных.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Исследование покрытий на микрошлифах образцов-свидетелей показало, что покрытия, полученные на разных сплавах, отличаются по своей структуре (рис.4).
Покрытие на сплаве М244 имеет неравномерную структуру со множеством полостей.
На сплаве АК12 покрытие плотное, полости наблюдаются только в поверхностной области. Наноразмерная пористость (поры с размерами до 50 нм) у МДО-покрытия на сплаве М244 составила 29,3±4,7%, а на сплаве АК12 она была существенно меньше – 10,8±4,3%. Кроме того, покрытия отличались характером распределения пор: на сплаве АК12 наноразмерные поры сосредоточены возле подложки, а на сплаве М244 они распределены по всей толщине покрытия. При этом у покрытий на расстоянии от подложки ~100 мкм наноразмерная пористость на сплаве М244 составила 16,9±4,6%, а на сплаве АК12 – 4,7±2,9%. Именно с этой областью покрытия поршня контактируют ОГ двигателя.
Замер состава ОГ при испытаниях двигателя РМЗ-551i показал, что на этом двигателе наблюдается снижение токсичности по всем компонентам ОГ: СО, СnНm и NOx. Однако этот эффект зависит от режима работы двигателя. Наибольшее снижение доли СО (до 17,1%) обнаружено на режиме 3000 мин–1 и 50% открытия дроссельной заслонки (табл.1).
В табл.2 представлены результаты замера токсичности ОГ при испытании двигателя УМЗ-341. На этом двигателе было обнаружено снижение компонента CO2, который не относится к группе токсичных компонентов ОГ. При этом отмечено снижение расхода топлива, температуры ОГ и коэффициента избытка воздуха.
ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ полученных результатов показал, что при использовании поршней из сплава М244 было зафиксировано существенное снижение токсичности ОГ, особенно по СО – до 17%. При использовании поршней из сплава АК12 с покрытием снижение токсичности ОГ ДВС практически отсутствует. На двигателе УМЗ-341 обнаружено только уменьшение количества СО2, которое не связано с каталитическими свойствами МДО-покрытия, а вызвано уменьшением расхода топлива [22]. На настоящий момент считается, что керамическое покрытие на четырехтактных ДВС изменяет тепловой фронт горения, вызывая снижение расхода топлива, что влечет за собой уменьшение количества ОГ, а, следовательно, и СО2 [23].
Полученные результаты могут быть объяснены исключительно структурой МДО-покрытий (рис.5). Известно, что каталитический эффект всегда связан с пористостью [21, 24]. Процесс нейтрализации ОГ происходит за счет диффузии молекул газа вглубь покрытия, а диффузия возможна только вдоль пор с малым диаметром – до 50 нм [21]. У покрытия на сплаве М244 наноразмерная пористость достаточно велика (16,9±4,6%), более чем в 2,5 раза выше, чем у покрытия на сплаве АК12 – 6,4±3,5%. Этим и можно объяснить полученный эффект.
ВЫВОДЫ
Обнаружено, что на снижение эмиссии токсичных компонентов ОГ и на эффективность работы покрытия в качестве катализатора существенное влияние оказывает структура МДО-покрытий, представленная наноразмерной пористостью. Применение в двигателях поршней с МДО-покрытием, наноразмерная пористость которого составляет 16,9±4,6%, приводит к снижению токсичности ОГ – эмиссия компонента СО максимально снижается на 17,1%, а в среднем (с учетом всех режимов) – на 3,1%. Применение в двигателях поршней с МДО-покрытием, наноразмерная пористость которых составляет 6,4±3,5%, снижение токсичности ОГ не вызывало.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках Государственного задания № FEUE-2023-0007 (УУНиТ).
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Байбарин В.А., Божко А.В. Влияние отработавших газов двигателей МЭС на экологию и их состав // Вестник аграрной науки Дона. 2014. № 4(28). С. 81–86.
Чернецов Д.А. Токсичность отработавших газов дизелей и их антропогенное воздействие // Вопросы современной науки и практики. 2010. № 10–12 (31). С. 54–59.
Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1973. 200 c.
Ерохов В.И. Токсичность современных автомобилей. Методы и средства снижения вредных выбросов в атмосферу. М.: Изд-во Форум, 2013. 447 c.
Панов В.С., Курников А.С. Способы снижения токсичности отработавших газов поршневых двигателей // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. 2009. № 27. С. 83–97.
Блохин А.Н., Грошев А.М., Козлова Т.А., Яржемский А.Д., Серопян М.С. Результаты исследования электромобиля на шасси "ГАЗель" // Наука и образование: научное издание "МГТУ им. Н.Э. Баумана". 2012. № 12. С. 75–104.
Валеев В.С., Еникеев Р.Д., Сакулин Р.Ю. Повышение стойкости поршней двухтактных двигателей к прогару посредством нанесения МДО покрытий // Двигателестроение. 2020. № 2. С. 30–34.
Ведрученко В.Р., Иванов А.Л., Борисов В.А., Литвинов П.В. Влияние материала поршня на процесс сгорания топлива в двигателе / Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2016. № 5. С. 61–68.
Парсаданов И.В., Поливянчук А.П. Оценка влияния гальваноплазменного покрытия поршня автотракторного дизеля на выбросы твердых частиц с отработавшими газами // Двигатели внутреннего сгорания. 2009. № 2. С. 97–100.
Никитин М.Д., Кулик А.Я. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей. Л.: Машиностроение, 1977. 168 c.
Dudareva N.Yu., Ivashin P.V., Gallyamova R.F., Tverdokhlebov A.Ya., Krishtal M.M. Structure and Thermophysical Properties of Oxide Layer Formed by Microarc Oxidation on AK12D Al Si Alloy / Metal Science and Heat Treatment. 2021. Vol. 62. РР. 701–708.
Curran J.A., Kalkancı H., Magurova Yu., Clyne T.W. Mullite-rich plasma electrolytic oxide coatings for thermal barrier applications //
Surface and Coatings Technology. 2007. No 201. РP. 8683–8687.
Ivashin P.V., Krishtal M.M., Tverdokhlebov A.Ya., Polunin A.V., Dudareva N. Yu., Kruglov A.B. Different-sized porosity and thermal conductivity of oxide layers formed by plasma-electrolytic oxidation on the AlSi12Mg silumin // Frontier Materials and Technologies. 2022. No. 4. РР. 49–69.
Curran J.A., Clyne T.W. Porosity in plasma electrolytic oxide coatings // Acta Materialia. 2006. No. 54/7. РР. 1985–1993.
Электронный источник: RM Vector 551i Снегоход. https://go-rm.ru/rm_vector_551i_data.html (Дата обращения 10.05.2024).
Электронный источник: Двигатель УМЗ-341 для мотоблока. https://www.pahalka.ru/dvigateli/umz-341 (Дата обращения 10.05.2024).
Михеев А.Е., Гирн А.В., Алексеева Е.Г., Башков И.В. Процесс формирования структуры и состава МДО-покрытий на алюминиевых сплавах // Вестник СибГАУ. № 2(48). 2013. С. 206–212.
MAHLE International. Pistons and engine testing. Ed. 2nd. Wiesbaden: Pub. "Springer". 2016. 295 p.
Дударева Н.Ю., Коломейченко А.В., Деев В.Б., Ситдиков В.М. Коррозионная стойкость оксидных слоев, формируемых методом микродугового оксидирования на заэвтектическом алюминиевом сплаве // Цветные металлы. 2023. № 10. С. 56–61.
Суминов И., Белкин П., Эпельфельд А., Людин В., Крит Б., Борисов А. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. В 2 т. Т. 2. М.: Техносфера, 2011. 512 c.
Фомкин А.А. Пористость. Большая российская энциклопедия. В 35 т. Т. 21. М.: АО "Большая Российская энциклопедия", 2013. 767 c.
Шпаковский В.В. Внедрение поршней с корундовым слоем при ремонте дизелей тепловозов ЧМЭ-3 // Двигатели внутреннего сгорания. № 2. 2013. С. 112–115.
Марченко А.П., Шпаковский В.В. Влияние корундового слоя на рабочих поверхностях поршней на процесс сгорания в ДВС // Двигатели внутреннего сгорания. 2011. № 2. С. 24–28.
Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ / Изд. 2-е, перераб. и доп., Москва : Изд-во "Химия". 1974. 592 c.
Научная статья
НАНОСТРУКТУРНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В.М.Ситдиков1, ст. науч. сотр., нач. уч. части – зам. нач. каф., ORCID: 0009-0004-9589-4947 / ven_s80@mail.ru
Н.Ю.Дударева1, д.т.н., проф., ORCID: 0000-0003-2269-0498
Аннотация: Исследовано влияние наноструктурного покрытия, сформированного методом микродугового оксидирования на поршнях двигателей внутреннего сгорания на токсичность отработавших газов. Выявлена роль наноразмерной пористости в механизме снижения токсичности.
Ключевые слова: наноструктурное покрытие, микродуговое оксидирование, токсичность, отработавшие газы, двигатели внутреннего сгорания
Для цитирования: В.М. Ситдиков, Н.Ю. Дударева. Наноструктурное покрытие для снижения токсичности двигателей внутреннего сгорания. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 5. С. 311–319. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.311.319.
Received: 26.06.2024 | Accepted: 5.07.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.311.319
Original paper
NANOSTRUCTURED COATING FOR REDUCING INTERNAL COMBUSTION ENGINES TOXICITY
V.M.Sitdikov1, Senior Researcher, Head of the Training Unit, ORCID: 0009-0004-9589-4947 / ven_s80@mail.ru
N.Y.Dudareva1, Doct. of Sci. (Tech), Prof., Associate Professor, ORCID: 0000-0003-2269-0498
Abstract: The effect of a nanostructured coating formed by microarc oxidation on pistons of internal combustion engines on the exhaust gases toxicity has been studied. The role of nanoscale porosity in the mechanism of toxicity reduction has been revealed.
Keywords: nanostructured coating, microarc oxidation, toxicity, exhaust gases, internal combustion engines
For citation: V.M. Sitdikov, N.Y. Dudareva. Nanostructured coating for reducing internal combustion engines toxicity. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 5. PP. 311–319. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.311.319.
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшей современной проблемой, актуальной для всех стран мира, является снижение экологической нагрузки на окружающую среду. Отработавшие газы (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС), выбрасываемые в атмосферу, представляют собой одну из основных причин ее загрязнения [1]. По статистике, примерно 60% загрязнений воздушной среды вызвано работой автотранспорта. Токсичные вещества, содержащиеся в ОГ, оказывают пагубное воздействие на растительность, а также здоровье людей и животных [2]. Отработавшие газы ДВС содержат такие вредные вещества, как монооксид углерода (CO), несгоревшие углеводороды (CnHm), альдегиды, оксиды азота (NOx), твердые частицы и др. [3]. На сегодняшний день разработаны различные способы снижения токсичности ОГ ДВС: воздействие на рабочий процесс двигателя, использование альтернативных топлив, применение в системе выхлопа каталитических нейтрализаторов [4, 5]. Однако в настоящее время возможности всех вышеперечисленных способов практически исчерпаны, что не позволяет достичь современными двигателями экологических норм Евро-6 [6].
Одним из перспективных направлений по повышению экологичности поршневых двигателей является нейтрализация токсичных веществ ОГ непосредственно в камере сгорания двигателя. Такой подход позволяет увеличить эффективность уже имеющейся системы нейтрализации. Известен ряд исследований, в которых при использовании покрытий, сформированных по технологии микродугового оксидирования (МДО) для тепловой защиты алюминиевых поршней, во время работы двигателей фиксировалось снижение токсичности ОГ [7–9]. При этом использование покрытий аналогичного состава, но сформированных другими методами, например, плазменным напылением, такого воздействия на ОГ не оказывало [10]. Однако, как показал анализ научной литературы, системных исследований в этом направлении не проводилось.
Известно, что МДО-покрытия, формируемые на алюминиевых сплавах, состоят из оксидов (α-Al2O3, γ-Al2O3) и силикатов алюминия [11, 12], которые традиционно используются в катализаторах. Эти покрытия также обладают развитой пористостью [13, 14] и являются наноструктурными согласно ГОСТ Р 9.318-2013. В данной работе была сформулирована гипотеза о том, что снижение токсичности ОГ ДВС обеспечивается структурой МДО-покрытий, представленной наноразмерными порами, в которых происходит диффузия молекул и процесс катализа. На основании этого была сформулирована цель данной работы: исследовать роль структуры МДО-покрытия, сформированного на деталях камеры сгорания, во влиянии на токсичность двигателей внутреннего сгорания.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ (ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА)
В качестве экспериментальных было выбрано два бензиновых двигателя: двигатель двухтактный двухцилиндровый марки РМЗ-551i и двигатель четырехтактный одноцилиндровый, марки УМЗ-341 [15, 16]. Покрытие методом МДО формировалось на днищах поршней этих двигателей. Известно, что на качество МДО-покрытия и его структуру существенное влияние оказывает химический состав алюминиевого сплава подложки [17]. Поршень двигателя РМЗ-551i изготовлен из высококремнистого сплава иностранного производства марки М244 (АlSi26CuNiMg: Si 23–26%; Cu 0,8–1,5%; Zn – до 0,2%; Fe 0,7%; Mn 0,2%; Mg 0,8–1,3%; Ti 0,2%; Ni 0,8–1,3%) [18], а поршень двигателя УМЗ-341 изготовлен из эвтектического сплава марки АК12 (Al 84,3–90%; Si 10–13%; Fe – до 1,5%; Cu – до 0,6%; Mn – до 0,5%; Zn – до 0,3%; Mg и Ti до 0,1%) [19].
Формирование покрытия при МДО происходит в электролите, когда под действием высокого напряжения на обрабатываемой поверхности возникают искровые и дуговые разряды. В результате на поверхности детали формируется оксидный слой, называемый модифицированным, в результате чего и образуется покрытие [20]. Покрытие днищ поршней производилось при помощи специального приспособления, обеспечивающего формирование покрытия исключительно на днище поршня, защищая остальные поверхности от попадания электролита (рис.1).
Процесс МДО осуществлялся в силикатно-щелочном электролите с содержанием 4 г/л КОH и 4 г/л Na2SiO3 при емкости установки С = 400 мкФ. Время обработки поршней составляло 90 мин. Далее поршни промывали в воде и после осушки верхний рыхлый слой покрытия удалялся с помощью мелкозернистой наждачной бумаги до достижения толщины покрытия ~120 мкм. Толщина покрытий на поршнях замерялась неразрушающим способом вихретоковым толщиномером ТТ-210.
Для исследования структуры покрытий в таком же режиме МДО были обработаны образцы-свидетели, выполненные из тех же сплавов, что и поршни (М244 и АК12). Из образцов-свидетелей с покрытием были изготовлены микрошлифы. Анализ пористости и толщины покрытий проводился на основе фотографий поперечных шлифов, полученных при помощи электронного микроскопа TESCAN MIRA LMS. Пористость покрытий исследовалась при помощи обработки фотографий шлифов в программе ImageJ. Выделялась доля наноразмерных пор, диаметр которых не превышал 50 нм, так как именно в порах такого размера осуществляется процесс катализа [21].
Исследования влияния МДО-покрытия на токсичность ОГ были проведены на двигателях в режиме стендовых моторных испытаний. В процессе испытаний проводились замеры токсичности ОГ и других эксплуатационных показателей двигателей. Методика испытаний соответствовала ГОСТ 14846-2020. Для испытания двигателя РМЗ-551i была разработана и собрана испытательная установка на базе моторного стенда AVL–DP 80 (рис.2а). Двигатель УМЗ-341 испытывался по схеме, представленной на рис.2b.
Токсичность исследовалась у двигателей со штатными поршнями (без покрытия) и с поршнями с МДО-покрытием на днище (рис.3). Режимы испытаний двигателей подбирались в соответствии с их техническими характеристиками и возможностями нагрузочного стенда. На двигателе РМЗ-551i испытания проводились на 20-ти режимах, которые отличались оборотами и степенью открытия дроссельной заслонки. Обороты двигателя выбраны следующие: 2000, 3000, 4000, 5000 и 6000 об/мин. На каждом скоростном режиме степень открытия дроссельной заслонки составляла: 25, 50, 75 и 100%. На двигателе УМЗ-341 испытания проводились на 6-ти режимах: обороты коленчатого вала составляли 2400, 2700 и 3200 об/мин. Вместо открытия дроссельной заслонки устанавливалась нагрузка на генератор, которая составляла 500 Вт для 2400 об/мин, 1000 и 500 Вт для 2700 об/мин, а также 1500, 1000 и 500 Вт для 3200 об/мин. В каждом режиме с интервалом 30 с фиксировались данные по токсичности ОГ (СО, NOx, CnHm), а также СО2. Измерялись эксплуатационные показатели двигателей: расход топлива, температуры ОГ и головки блока цилиндра, количество O2 в ОГ, а также коэффициент избытка воздуха. Обработка результатов проводилась с учетом случайной и инструментальной погрешностей измерений в соответствии с теорией математической обработки экспериментальных данных.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Исследование покрытий на микрошлифах образцов-свидетелей показало, что покрытия, полученные на разных сплавах, отличаются по своей структуре (рис.4).
Покрытие на сплаве М244 имеет неравномерную структуру со множеством полостей.
На сплаве АК12 покрытие плотное, полости наблюдаются только в поверхностной области. Наноразмерная пористость (поры с размерами до 50 нм) у МДО-покрытия на сплаве М244 составила 29,3±4,7%, а на сплаве АК12 она была существенно меньше – 10,8±4,3%. Кроме того, покрытия отличались характером распределения пор: на сплаве АК12 наноразмерные поры сосредоточены возле подложки, а на сплаве М244 они распределены по всей толщине покрытия. При этом у покрытий на расстоянии от подложки ~100 мкм наноразмерная пористость на сплаве М244 составила 16,9±4,6%, а на сплаве АК12 – 4,7±2,9%. Именно с этой областью покрытия поршня контактируют ОГ двигателя.
Замер состава ОГ при испытаниях двигателя РМЗ-551i показал, что на этом двигателе наблюдается снижение токсичности по всем компонентам ОГ: СО, СnНm и NOx. Однако этот эффект зависит от режима работы двигателя. Наибольшее снижение доли СО (до 17,1%) обнаружено на режиме 3000 мин–1 и 50% открытия дроссельной заслонки (табл.1).
В табл.2 представлены результаты замера токсичности ОГ при испытании двигателя УМЗ-341. На этом двигателе было обнаружено снижение компонента CO2, который не относится к группе токсичных компонентов ОГ. При этом отмечено снижение расхода топлива, температуры ОГ и коэффициента избытка воздуха.
ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ полученных результатов показал, что при использовании поршней из сплава М244 было зафиксировано существенное снижение токсичности ОГ, особенно по СО – до 17%. При использовании поршней из сплава АК12 с покрытием снижение токсичности ОГ ДВС практически отсутствует. На двигателе УМЗ-341 обнаружено только уменьшение количества СО2, которое не связано с каталитическими свойствами МДО-покрытия, а вызвано уменьшением расхода топлива [22]. На настоящий момент считается, что керамическое покрытие на четырехтактных ДВС изменяет тепловой фронт горения, вызывая снижение расхода топлива, что влечет за собой уменьшение количества ОГ, а, следовательно, и СО2 [23].
Полученные результаты могут быть объяснены исключительно структурой МДО-покрытий (рис.5). Известно, что каталитический эффект всегда связан с пористостью [21, 24]. Процесс нейтрализации ОГ происходит за счет диффузии молекул газа вглубь покрытия, а диффузия возможна только вдоль пор с малым диаметром – до 50 нм [21]. У покрытия на сплаве М244 наноразмерная пористость достаточно велика (16,9±4,6%), более чем в 2,5 раза выше, чем у покрытия на сплаве АК12 – 6,4±3,5%. Этим и можно объяснить полученный эффект.
ВЫВОДЫ
Обнаружено, что на снижение эмиссии токсичных компонентов ОГ и на эффективность работы покрытия в качестве катализатора существенное влияние оказывает структура МДО-покрытий, представленная наноразмерной пористостью. Применение в двигателях поршней с МДО-покрытием, наноразмерная пористость которого составляет 16,9±4,6%, приводит к снижению токсичности ОГ – эмиссия компонента СО максимально снижается на 17,1%, а в среднем (с учетом всех режимов) – на 3,1%. Применение в двигателях поршней с МДО-покрытием, наноразмерная пористость которых составляет 6,4±3,5%, снижение токсичности ОГ не вызывало.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках Государственного задания № FEUE-2023-0007 (УУНиТ).
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Байбарин В.А., Божко А.В. Влияние отработавших газов двигателей МЭС на экологию и их состав // Вестник аграрной науки Дона. 2014. № 4(28). С. 81–86.
Чернецов Д.А. Токсичность отработавших газов дизелей и их антропогенное воздействие // Вопросы современной науки и практики. 2010. № 10–12 (31). С. 54–59.
Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1973. 200 c.
Ерохов В.И. Токсичность современных автомобилей. Методы и средства снижения вредных выбросов в атмосферу. М.: Изд-во Форум, 2013. 447 c.
Панов В.С., Курников А.С. Способы снижения токсичности отработавших газов поршневых двигателей // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. 2009. № 27. С. 83–97.
Блохин А.Н., Грошев А.М., Козлова Т.А., Яржемский А.Д., Серопян М.С. Результаты исследования электромобиля на шасси "ГАЗель" // Наука и образование: научное издание "МГТУ им. Н.Э. Баумана". 2012. № 12. С. 75–104.
Валеев В.С., Еникеев Р.Д., Сакулин Р.Ю. Повышение стойкости поршней двухтактных двигателей к прогару посредством нанесения МДО покрытий // Двигателестроение. 2020. № 2. С. 30–34.
Ведрученко В.Р., Иванов А.Л., Борисов В.А., Литвинов П.В. Влияние материала поршня на процесс сгорания топлива в двигателе / Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2016. № 5. С. 61–68.
Парсаданов И.В., Поливянчук А.П. Оценка влияния гальваноплазменного покрытия поршня автотракторного дизеля на выбросы твердых частиц с отработавшими газами // Двигатели внутреннего сгорания. 2009. № 2. С. 97–100.
Никитин М.Д., Кулик А.Я. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей. Л.: Машиностроение, 1977. 168 c.
Dudareva N.Yu., Ivashin P.V., Gallyamova R.F., Tverdokhlebov A.Ya., Krishtal M.M. Structure and Thermophysical Properties of Oxide Layer Formed by Microarc Oxidation on AK12D Al Si Alloy / Metal Science and Heat Treatment. 2021. Vol. 62. РР. 701–708.
Curran J.A., Kalkancı H., Magurova Yu., Clyne T.W. Mullite-rich plasma electrolytic oxide coatings for thermal barrier applications //
Surface and Coatings Technology. 2007. No 201. РP. 8683–8687.
Ivashin P.V., Krishtal M.M., Tverdokhlebov A.Ya., Polunin A.V., Dudareva N. Yu., Kruglov A.B. Different-sized porosity and thermal conductivity of oxide layers formed by plasma-electrolytic oxidation on the AlSi12Mg silumin // Frontier Materials and Technologies. 2022. No. 4. РР. 49–69.
Curran J.A., Clyne T.W. Porosity in plasma electrolytic oxide coatings // Acta Materialia. 2006. No. 54/7. РР. 1985–1993.
Электронный источник: RM Vector 551i Снегоход. https://go-rm.ru/rm_vector_551i_data.html (Дата обращения 10.05.2024).
Электронный источник: Двигатель УМЗ-341 для мотоблока. https://www.pahalka.ru/dvigateli/umz-341 (Дата обращения 10.05.2024).
Михеев А.Е., Гирн А.В., Алексеева Е.Г., Башков И.В. Процесс формирования структуры и состава МДО-покрытий на алюминиевых сплавах // Вестник СибГАУ. № 2(48). 2013. С. 206–212.
MAHLE International. Pistons and engine testing. Ed. 2nd. Wiesbaden: Pub. "Springer". 2016. 295 p.
Дударева Н.Ю., Коломейченко А.В., Деев В.Б., Ситдиков В.М. Коррозионная стойкость оксидных слоев, формируемых методом микродугового оксидирования на заэвтектическом алюминиевом сплаве // Цветные металлы. 2023. № 10. С. 56–61.
Суминов И., Белкин П., Эпельфельд А., Людин В., Крит Б., Борисов А. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. В 2 т. Т. 2. М.: Техносфера, 2011. 512 c.
Фомкин А.А. Пористость. Большая российская энциклопедия. В 35 т. Т. 21. М.: АО "Большая Российская энциклопедия", 2013. 767 c.
Шпаковский В.В. Внедрение поршней с корундовым слоем при ремонте дизелей тепловозов ЧМЭ-3 // Двигатели внутреннего сгорания. № 2. 2013. С. 112–115.
Марченко А.П., Шпаковский В.В. Влияние корундового слоя на рабочих поверхностях поршней на процесс сгорания в ДВС // Двигатели внутреннего сгорания. 2011. № 2. С. 24–28.
Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ / Изд. 2-е, перераб. и доп., Москва : Изд-во "Химия". 1974. 592 c.
Отзывы читателей
