Способ снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Для повышения эффективности снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и снижения материальных затрат при эксплуатации в рабочий объем камеры ДВС вводят каталитические присадки, интенсифицирующие процесс горения топлива в камере сжигания, путем их закрепления в микронеровностях, по меньшей мере, одной трущейся поверхности, находящейся в рабочем объеме камеры сгорания ДВС. Закрепление каталитических присадок, таких как металлы и окислы металлов Cr, Co, Fe, Cu, Mn, Ni, Zn, в микронеровностях на трущихся поверхностях осуществляют натиркой этих поверхностей брусками, в состав которых входят, по меньшей мере, каталитические присадки и материалы, удерживающие присадки в этих микронеровностях (связки). Обработку натиркой проводят путем хонингования или суперфиниширования поверхности на операции окончательного хонингования (суперфиниширования) или на дополнительной операции после окончательного хонингования (суперфиниширования). Для усиления эффекта в рабочий объем можно дополнительно вводить каталитические присадки совместно с топливом. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известны способы снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания путем, например, дожигания несгоревших остатков топлива или очистки выхлопных газов (патенты РФ №2125168, 2164298, кл. F 01 N 3/08). Эти способы снижения токсичности выхлопных газов связаны со значительными материальными затратами, т.к. для их осуществления должны быть предусмотрены специальные устройства на стадии разработки двигателя. Кроме того, имеет место заметная потеря мощности двигателя внутреннего сгорания.

Известен способ снижения токсичности выхлопных газов путем каталитического воздействия на процесс горения топлива в камере сжигания двигателя внутреннего сгорания, при котором в топливо вводят каталитические присадки, например окисные соединения дешевых металлов: Fe₂O₃, ZnO, CuO, Cr₂O₃, MnO₂, NiO (патент РФ №2163677, F 02 B 47/04).

Однако присадки, оказывая каталитическое действие на процессы горения, являются расходным материалом (вместе с топливом), что удорожает эксплуатацию двигателя. Кроме того, введение присадок в топливо недостаточно полно способствует его сжиганию, т.к. у стенок охлаждаемых цилиндров горение замедляется, а это не способствует уменьшению токсичности выхлопных газов.

Известен способ снижения токсичности выхлопных газов ДВС, при котором на поверхностях стенок камеры сгорания, образованной стенками цилиндра, головки цилиндра и головки поршня, не являющимися поверхностями трения, закрепляют покрытие, содержащее каталитические присадки, выбранные из платиновой группы металлов. Для покрытия стенок пастообразную смесь каталитических присадок и связующего - γ-окиси алюминия, наносят на поверхность стенок и отверждают ее при повышенной температуре. При этом получают пористое покрытие, повторяющее рельеф поверхности стенок, либо на поверхности покрытия выполняют различные неровности (патент США №4577611, кл. F 02 B 75/08, 1986 г.)

Покрытие, выполненное по известному техническому решению, способствует более быстрому поджиганию топливного заряда, однако по мере движения поршня в сторону коленчатого вала все большая часть камеры сгорания будет ограничиваться поверхностью трения цилиндра, на которой отсутствует покрытие, снижая тем самым эффект действия каталитических веществ, нанесенных вне зоны скольжения, т.е. покрытие стенок, находящихся вне зоны скольжения, не оказывает активного влияния на процесс горения топливного заряда в стадии активного горения и дожигания топливного заряда.

Закрепление заметной массы каталитических и закрепляющих материалов с выступанием над поверхностью либо над неровностями поверхности стенок камеры сгорания ДВС в условиях экстремальных силовых и температурных циклических нагрузок может привести к расслаиванию разнородных материалов и тем самым вызвать аварийную ситуацию. Кроме того, технологически в массовом производстве очень трудно осуществить реализацию этих процессов закрепления катализаторов на громоздких деталях (гильзы цилиндров, блоки цилиндров, головки блока, поршень) со значительными поверхностями покрытия.

Наличие пор и неровностей в покрытии, предусмотренных в патенте, неизбежно приведет к увеличению угара масла, что является существенной компонентой вредного воздействия отходящих газов.

Целью изобретения является повышение эффективности снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, исключение аварийных ситуаций из-за отслаивания покрытия от поверхностей и снижение трудоемкости закрепления покрытия.

Цель достигается тем, что в способе снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания путем закрепления каталитических присадок в микронеровностях, по меньшей мере, на одной поверхности, находящейся в рабочем объеме камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, закрепление присадок в микронеровностях, по меньшей мере, одной трущейся поверхности осуществляют натиркой этой поверхности брусками, в состав которых входят, по меньшей мере, каталитические присадки и материалы, удерживающие присадки в микронеровностях, а натирку проводят путем хонингования (суперфиниширования) поверхности или на дополнительной операции после окончательного хонингования (суперфиниширования).

Микронеровность - это шероховатость поверхности, полученная в основном в результате механической обработки детали. После механической обработки поверхность представляет собой совокупность выступов и впадин, размеры которых в зависимости от вида механической обработки могут быть различными. Для трущихся деталей ДВС микронеровности в основном образуются при хонинговании или суперфинишировании этих поверхностей в зависимости от того, какая операция предусмотрена технологией изготовления детали.

В качестве каталитических присадок могут быть использованы известные применяемые для этих целей металлы и окислы металлов Cr, Co, Fe, Cu, Mn, Ni, Zn врозь или в любом сочетании.

Закрепление каталитических присадок в микронеровностях на трущихся поверхностях осуществляют натиркой этих поверхностей брусками, в состав которых входят, по меньшей мере, каталитические присадки и материалы, удерживающие присадки в этих микронеровностях (связки).

Обработку натиркой, по меньшей мере, одной трущейся поверхности, брусками, содержащими каталитические присадки, проводят путем хонингования или суперфиниширования поверхности на операции окончательного хонингования (суперфиниширования) или как дополнительная операция после окончательного хонингования (суперфиниширования). В результате такой обработки впадины микронеровностей поверхности оказываются заполненными каталитическими присадками и материалом, удерживающим каталитические присадки, не выступая над поверхностью.

В качестве материалов, удерживающих каталитические присадки в бруске и в микронеровностях поверхности, используют мягкие металлы - мель, олово, никель, врозь или в виде сплавов. Эти материалы достаточно легко входят в микронеровности обработанной поверхности и не оказывают отрицательного действия на работу ДВС.

Для усиления эффекта в рабочий объем можно дополнительно вводить каталитические присадки совместно с топливом.

Трущимися поверхностями в камере двигателя внутреннего сгорания, которые можно подвергать натирке, являются цилиндры, гильзы цилиндров, поршневые кольца и поверхность поршней. Наиболее целесообразным является натирка цилиндров или гильз цилиндров.

Способ осуществляется следующим образом.

Для закрепления каталитических присадок в микронеровностях трущейся поверхности, например на поверхности гильзы цилиндров, изготавливали бруски, в состав которых входили каталитические присадки и материалы, удерживающие присадки, например сплав меди и олова, который легко входит в микронеровности поверхности гильзы цилиндров и надежно удерживает в этих микронеровностях каталитические присадки. Бруски могут также содержать другие вещества, например дисульфид молибдена, для обеспечения покрытию антифрикционных свойств и др. Изготавливали бруски по традиционной технологии: холодное прессование - спекание при температуре около 700°С - горячее прессование при давлении около 2 тс/см².

По общеизвестной технологии гильзы цилиндров обрабатывали алмазными хонбрусками, содержащими алмаз АС6 63/50 и связку медь-олово, со снятием припуска ˜10 мкм. Затем гильзы цилиндров, поверхности которых содержали микронеровности от алмазной обработки, дополнительно хонинговали брусками с каталическими присадками. При дополнительном хонинговании размер гильзы оставался в пределах допуска, на поверхности гильзы наносился тонкий слой материала брусков, т.e. происходило закрепление в микронеровностях поверхности гильзы каталитических присадок мягкими металлами, входящими в состав брусков, а обработанная поверхность приобретала характерный плосковершинный микропрофиль. Комплект обработанных гильз укомплектовывали соответствующими деталями шатунно-поршневой группы.

При исследовании образцов, вырезанных из гильзы цилиндров, имевшей наработку 2000 часов с соответствующим износом на трущихся поверхностях методом рентгеновского микроанализа, фиксировались вещества, входящие в состав брусков, а именно каталитические присадки. Как известно, для интенсификации химических процессов достаточно совершенно незначительного количества активных центров - катализаторов, чтобы обеспечить протекание процесса.

Количество закрепленного на трущейся поверхности материала брусков регулировали режимами хонингования и соотношением твердостей брусков и обрабатываемого материала.

Катализатор, закрепленный на рабочей поверхности гильзы цилиндра, работает в достаточно благоприятных условиях, т.к. частицы катализатора находятся в активном деструктурированном состоянии благодаря постоянному деформирующему воздействию трущихся пар, при этом поверхность катализатора постоянно очищается.

Кроме того, наличие катализатора на стенках постоянно охлаждаемых цилиндров позволяет ускорить протекание реакции горения и благодаря специфической направленности их действия благоприятно влиять на их протекание.

В качестве каталитических присадок могут быть использованы вещества, которые, кроме того, что должны оказывать каталитическое действие, должны сохраняться как при изготовлении брусков, так и в условиях камеры сгорания ДВС. Таким требованиям отвечают металлы и окислы металлов, проявляющие поливалентные свойства и сохраняющие достаточную химическую стойкость в атмосфере камеры сгорания ДВС при температуре до ˜1000°С. Металлы, проявляющие поливалентные свойства, содержатся в следующих группах периодической таблицы: IБ, VБ, VIБ, VIIБ, VIIIБ, и входят в 4, 5 и 6 периоды. Больше всего таким требованиям отвечают следующие металлы и их окислы: Cr, Со, Fe, Cu, Mn, Ni, Zn.

При применении способа снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания путем закрепления каталитических присадок на трущихся поверхностях возможно дополнительное введение присадок к топливу. Это существенно усилит эффект, особенно после значительного пробега транспорта, но несколько увеличит материальные затраты.

Испытания способа проводили на бензиновом двигателе УЗАМ-331.

После пробега автомобиля с обработанным двигателем в режиме обкатки около 500 км контролировали давление компрессии в цилиндрах, которое отличалось не более 10% от средней принятой величины. После этого на холостом ходу проводили замеры параметров отработанных газов. Замеры проводили газоанализатором ГАЗТЕСТ-Авеста 4.01 с определением содержания окиси углерода СО и углеводородов СхНу. После этого двигатель разбирался, гильзы перехониговывали на следующий ремонтный размер и испытания повторялись.

Результаты испытаний показали, что относительное содержание СО в выхлопных газах снижалось на 20-40%, а СхНх - на 30-50% по сравнению с двигателями, гильзы цилиндров которых обрабатывались по традиционной технологии.

Помимо модельных испытаний, проводились также производственные испытания на двигателях Д10 UTS-180E 1 автобусов «Икарус». Четыре автобуса с двигателями серийной сборки и четыре автобуса с двигателями, гильзы цилиндров которых были обработаны брусками с каталитическими присадками, эксплуатировались как на городских, так и междугородних маршрутах.

Испытания автобусов проводились в течение года. Ежемесячно снимались показатели пройденного пути, расход масла и топлива. За этот период автобусы прошли в среднем более 100000 км пути каждый.

Расход топлива и масла на двигателях внутреннего сгорания снизился по сравнению с серийными двигателями соответственно: по топливу на 4,8%, по маслу - 42,0%, что обеспечивает снижение вредных выбросов.

Снижение расхода топлива произошло за счет более полного сгорания топлива под каталитическим воздействием закрепленных на стенках цилиндров каталитических присадок. Более полное сгорание топлива позволило снизить токсичность выхлопных газов, улучшить эксплуатационные показатели двигателя и снизить материальные затраты.

1. Способ снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания путем закрепления каталитических присадок в микронеровностях, по меньшей мере, на одной трущейся поверхности, находящейся в рабочем объеме камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что закрепление присадок в микронеровностях, по меньшей мере, одной трущейся поверхности, осуществляют натиркой этой поверхности брусками, в состав которых входят, по меньшей мере, каталитические присадки и материалы, удерживающие присадки в микронеровностях, а натирку проводят путем хонингования (суперфиниширования) поверхности или на дополнительной операции после окончательного хонингования (суперфиниширования).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве каталитических присадок используют металлы, выбранные из группы Cr, Co, Fe, Cu, Mn, Ni, Zn, и окислы этих металлов врозь или в любом сочетании.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материалов, удерживающих каталитические присадки в микронеровностях, по меньшей мере, одной трущейся поверхности, используют мягкие металлы - медь, олово, никель и их сплавы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно каталитические присадки вводят в топливо, подаваемое в рабочий объем камеры сгорания.