Наноструктурные покрытия с каталитическим эффектом для поршней двигателей внутреннего сгорания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ситдиков Венер Мунирович

• Ситдиков Венер Мунирович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Ситдиков Венер Мунирович

Введение

Глава 1. Анализ состояния вопроса снижения токсичности

двигателей внутреннего сгорания

1.1 Описание и актуальность проблемы снижения токсичности двигателей внутреннего сгорания

1.2 Основные направление снижения токсичности отработавших газов

1.3 Нейтрализаторы отработавших газов

1.4 Выбор пути решения проблемы с обоснованием гипотезы

Выводы по главе

Глава 2. Обоснование возможности использования керамических наноструктурных покрытий, формируемых методом микродугового оксидирования, для повышения экологичности поршневых двигателей

2.1 Химическая кинетика образования компонентов отработавших газов в поршневом двигателе

2.2 Обоснование возможности использования покрытия, формируемого методом микродугового оксидирования, в качестве катализатора для снижения токсичности отработавших газов

2.3 Феноменологическая модель снижения количества токсичных компонентов в отработавших газах

2.4 Математическая модель снижения количества токсичных

компонентов в отработавших газах

Выводы по главе

Глава 3. Оборудование и методики экспериментальных исследований

3.1 Описание установки и методики микродугового оксидирования поршней

3.2 Описание оборудования и методик для исследования покрытий

3.3 Описание экспериментальных двигателей, стендов и методики моторных испытаний

3.4 Описание испытательного моторного стенда и исследовательского оборудования

3.5 Описание методики моторных испытаний

3.6 Описание методики обработки экспериментальных результатов

Выводы по главе

Глава 4. Результаты экспериментов

4.1 Результаты исследования структуры и состава покрытий

4.2 Результаты экспериментов двигателя РМЗ-55Н

4.3 Результаты экспериментов двигателя УМЗ-341

Выводы по главе

Глава 5. Валидация математической модели и разработка

рекомендаций для использования полученных результатов

5.1 Валидация математической модели

5.2 Разработка рекомендаций для использования полученных

результатов

Выводы по главе

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время в мировом энергетическом балансе первое месте по выработке мощности занимают двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Общее количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу ДВС, превосходит выбросы некоторых промышленных предприятий. Загрязнения атмосферы сказываются не только на природе, но и на здоровье людей и животных. Поэтому проблема охраны окружающей среды от загрязнения токсичными продуктами, содержащихся в отработавших газах (ОГ) ДВС является одной из наиболее актуальных в современном мире. Снижение токсичности ОГ в основной доле автомобильных ДВС происходит благодаря каталитическим нейтрализаторам. Однако, потенциал их уже исчерпан, а нормы ЕВРО с каждым годом ужесточаются [1; 2].

Токсичные вещества в ОГ, выделяемые ДВС, содержат оксиды углерода (СО), несгоревшие углеводороды (CnHm), оксиды азота (NOx), сажу (С), твердые частицы (ТЧ). Поэтому снижение токсичности ОГ ДВС является одной из актуальных проблем большинства стран мира [3].

В этой связи перспективным направлением может стать частичное снижение эмиссии отдельных компонентов ОГ не в каталитическом нейтрализаторе, установленном в выпускной системе двигателя, а прямо в камере сгорания (КС) двигателя за счет пористых керамических покрытий, состоящих из оксидов и силикатов алюминия и формируемых на поверхностях деталей КС микродуговым оксидированием (МДО), которые, согласно ГОСТ Р9.318-2013, являются нанокристаллическими неметаллическими неорганическими [4]. Такие покрытия состоят из оксидов алюминия - а-Л^^ у^^з, а также алюмосиликатов -муллита и силлиманита [5]. Оксиды алюминия и алюмосиликаты довольно часто используются в качестве катализаторов или их носителей [6], обладают повышенной микротвердостью и пористостью, что важно для катализаторов.

Поэтому данная диссертационная работа, в которой представлено исследование каталитического эффекта наноструктурного покрытия,

сформированного на поршнях ДВС, является актуальной и направлена на решение важных проблем экологической безопасности. Диссертация выполнена в рамках выполнения Государственного задания «Разработка критических технологий создания силовых установок для малой и региональной авиации, а также беспилотных авиационных систем» тема FEUE-2023-0007 (2023-2025 гг).

Степень разработанности темы исследования. Технология МДО известна с 80-х годов XX века. Получаемые покрытия использовались для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей. Большой вклад в развитие технологии МДО, ее совершенствования, в том числе для ее применения в двигателестроении внесли следующие ученые: Дударева Н.Ю., Ерохин А.Л., Ивашин П.В., Коломейченко А.В., Крит Б.Л., Криштал М.М., Марков Г.А., Марков М.А., Михеев А.Е., Кюрран Д., Парфенов Е.В., Полунин А.В., Суминов И.В., Трушкина Т.В., Уханов Д.А., Хохлов А.Л., Эпельфельд А.В. Исследованиями по изучению свойств покрытий занимались Глезер А.М., Громов В.Е., Коновалов С.В., Рыков Е.В. Однако каталитические свойства МДО-покрытий и их применение в ДВС на настоящий момент исследовано недостаточно.

Первые исследования по снижению токсичности ОГ непосредственно в КС ДВС с искровым зажиганием были проведены в конце 20 века зарубежными учеными Ладомматос Н., Чжэнъюнь Х. (Университет штата Делавэр, Университетский колледж Лондона). Российские ученые (Борисов В.А., Иванов А.Л., Мухин В.А., Осипов А.Р., Супрунов Г.И.) также занимались разработкой каталитических покрытий деталей КС для повышения экологической безопасности ДВС. Гальваноплазменные покрытия сложного состава на поршнях автотракторного двигателя снижающие выбросы твердых частиц в ОГ исследовались в работах Парсаданова И.В. и Поливянчука А.П. Позже, в ряде исследований при использовании МДО-покрытия с целью снижения теплонапряженности поршня дизельного и бензинового ДВС было выявлено снижение токсичности ОГ (работы Валиева Р.С., Вердученко В.Р., Еникеева Р.Д., Литвинова П.В., Сакулина Р.Ю.).

Анализ литературных данных позволил сделать вывод, что причина эффективности МДО-покрытий в повышении экологичности ДВС до настоящего времени не установлена, и этот вопрос требует более глубоких исследований. На основании этого были сформулированы цель и задачи данного диссертационного исследования.

Цели и задачи. Целью работы является снижение токсичности поршневых двигателей за счет нанесения на детали цилиндропоршневой группы наноструктурных покрытий методом микродугового оксидирования.

Задачи:

1. Обосновать возможность снижения токсичности отработавших газов и разработать феноменологическую модель механизма повышения экологичности двигателей внутреннего сгорания использованием наноструктурного покрытия, формируемого методом микродугового оксидирования на деталях камеры сгорания.

2. Разработать математическую модель, описывающую снижение токсичных компонентов в отработавших газах поршневых двигателей внутреннего сгорания с учетом структуры наноматериала покрытий, формируемых микродуговым оксидированием на поверхности деталей камеры сгорания.

3. Исследовать влияние структуры наноматериала покрытий, сформированных на поршневых алюминиевых сплавах микродуговым оксидированием, на способность снижать токсичность двигателей внутреннего сгорания.

4. Разработать практические рекомендации по применению наноструктурных покрытий для снижения токсичности отработавших газов в камере сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Научная новизна.

1. Разработана феноменологическая модель, описывающая влияние структуры наноматериала покрытий, сформированных микродуговым оксидированием, на их способность снижать токсичность отработавших газов в поршневых двигателях, отличающаяся тем, что каталитический эффект

покрытий связан с наличием в их структуре наноразмерных пор диаметром до 50 нм, в которых происходит интенсивная реакция нейтрализации компонентов отработавших газов.

2. Разработана математическая модель, описывающая влияние покрытий, формируемых методом микродугового оксидирования на деталях камеры сгорания, на токсичность отработавших газов поршневых двигателей отличающаяся тем, что в ней учтены параметры и структура наноматериала покрытия (площадь покрытия, доля наноразмерных пор диаметром до 50 нм, диаметр нанопор, толщина покрытия, количество активных центров).

3. Установлена зависимость токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания от доли наноразмерных пор с диаметром до 50 нм в покрытиях, сформированных микродуговым оксидированием на поршнях, отличающаяся тем, что наибольший эффект зафиксирован по снижению количества монооксида углерода до 18,1±3,3 % при высокой наноразмерной пористости покрытия -18,0±3,0 %.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Теоретическая значимость работы заключается в феноменологической и математической моделях, описывающих процессы снижения количества токсичных веществ в ОГ ДВС в результате их контакта с наноструктурным покрытием, сформированным методом МДО.

2. Практическая значимость работы заключается в возможности снижения токсичности ОГ двухтактного ДВС до 18,1±3,3 % по монооксиду углерода за счет формирования на днище поршня методом МДО-покрытия, содержащего 18,0±3,0 % наноразмерных пор с диаметром до 50 нм. Практическая значимость работы также заключается в практических рекомендациях по снижению токсичности ОГ ДВС более, чем в 1,3 раза за счет определённой площади покрытия на деталях КС, наноразмерной пористости покрытия и количества активных центров. Обнаруженный каталитический эффект наноструктурных МДО-покрытий позволит производителям двигателей снизить уровень токсичности ОГ без увеличения веса и сложности конструкции ДВС.

Методология и методы исследования. В работе применялись известные теоретические и экспериментальные данные и закономерности из области химии, физики, материаловедения, физико-химических процессов катализа, теории поршневого двигателестроения, теплофизики. Результаты исследования и выводы получены на основе собственных экспериментов, выполненных с использованием современных методик и оборудования центра коллективного пользования «Нанотех» УУНиТ (сканирующих электронных микроскопов, рентгеновского дифрактометра), кафедры двигателей внутреннего сгорания УУНиТ (установка микродугового оксидирования, моторные стенды, оборудование для измерения токсичности ОГ), а также «Передовой инженерной школы» УУНиТ (нагрузочные стенды). При обработке экспериментальных данных использовались методы статистического анализа результатов экспериментов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Феноменологическая модель, описывающая механизм снижения токсичности отработавших газов в поршневых двигателях за счет их контакта с наноматериалом покрытия, формируемым микродуговым оксидированием, в котором каталитические свойства покрытия связаны с его структурой, представленной наноразмерными порами с диаметром до 50 нм (соответствует п. 1.2 паспорта специальности 2.6.6, технические науки).

2. Математическая модель, позволяющая спрогнозировать влияние параметров и структуры материала наноструктурного покрытия, на снижение токсичных компонентов отработавших газов непосредственно в камере сгорания (соответствует п. 1.5 паспорта специальности 2.6.6, технические науки).

3. Результаты испытаний, доказывающие, что увеличение количества наноразмерных пор с диаметром до 50 нм в покрытии, сформированном на днище поршня микродуговым оксидированием, приводит к снижению токсичности отработавших газов двигателя до 18,1±3,3 % по монооксиду углерода (соответствует п. 1.2 паспорта специальности 2.6.6, технические науки).

4. Практические рекомендации, позволяющие определить оптимальные значения площади и пористости покрытия, а также количества активных

каталитических центров для увеличения эффективности внутрицилиндрового катализа отработавших газов наноструктурным покрытием, формируемым методом микродугового оксидирования (соответствует п. 1.5 паспорта специальности 2.6.6, технические науки).

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается применением новейшего исследовательского оборудования, современных методик экспериментальных исследований, использованием поверенного измерительного оборудования и методов статистического анализа при обработке результатов экспериментов, а также согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в условиях функционирования двигателей.

Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях (МНПК «Формирование и развитие новой парадигмы науки в условиях постиндустриального общества», г. Самара - 2022 г., IX МНПК «Информационные технологии и инновации на транспорте», г. Орёл - 2023 г, МНПК «Транспорт России: проблемы и перспективы-2024», г. Санкт-Петербург - 2024 г., МНПК по энергетическим исследованиям, перспективным материалам и прикладной химии, г. Алма-Ата - 2024 г.) и всероссийских научных конференциях (XVI ВМНК «Мавлютовские чтения», Уфа -2022 г., ВНПК «Перспективные технологии реверс-инжиниринга и быстрого прототипирования», г. Севастополь - 2024 г.), на заседаниях кафедры «Двигателей внутреннего сгорания» (2021 г., 2023 г.) и института «Физика перспективных материалов» при ФГБОУ ВО Уфимский университет науки и технологий (2024 г.).

Теоретические и практические результаты по теме диссертации опубликованы в 13 научных работах, их которых 5 в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 4 работы в журналах, входящих в международные базы цитирования Web of Science и Scopus.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложения и списка литературы. Содержит 157 страниц машинописного текста, включающего 67 рисунков, 24 таблицы и библиографический список из 142 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

1.1 Описание и актуальность проблемы снижения токсичности двигателей

внутреннего сгорания

В настоящее время жизнь без ДВС не представляется возможной. Развитие промышленности и инфраструктуры в современном мире существенно увеличивает потребность в автомобильной технике с ДВС. Существенным недостатком ДВС является потребность в углеводородном топливе, в результате сгорания которого, образуются и выбрасываются в окружающую среду токсичные соединения. По некоторым данным, выбросы в атмосферу автомобильной и автотракторной техникой в три раза больше выбросов промышленных предприятий [7]. Поэтому проблема защиты окружающей среды от ТК, выделяемыми ДВС, в современном мире становится все более актуальной. По данным исследований Международной ассоциации автопроизводителей (OCIA) в 2015 году на планете насчитывалось 947 млн легковых и 335 млн коммерческих автомобилей [8] и их количество постоянно увеличивается, поэтому с каждым годом проблема уменьшения загрязнения окружающей среды ОГ ДВС становится все глобальнее и актуальнее.

На Рисунке 1.1 представлена структура загрязнения атмосферного воздуха промышленностью и транспортом. Как видно из этого рисунка, доля загрязнений от автотранспорта довольно велика, она составляет 13 % от общего объема выбросов.

Постоянное воздействие ВВ на человеческий организм, животных и растений приводит к росту различных заболеваний (дыхательных путей, аллергии, кровеносной системы, мутациям на генетическом уровне), кроме этого возрастает опасность глобального потепления. По официальным данным Всероссийской организации здравоохранения, ежегодно около 7 млн человек во всем мире умирают от загрязнения воздуха токсичными веществами и канцерогенами [9].

Промышленность Химическая

стройматериалов промышленность 1%

Электростанции

27%

Транспорт 13%

металлургия 24%

нефтехимия 24%

16%

Рисунок 1.1 - Источники антропогенного загрязнения воздуха [9]

Проблема загрязнения окружающей среды и глобального потепления является приоритетной для всех развитых стран мира. От этой проблемы страдают жители крупных городов, где заболеваемость из года в год постоянно увеличивается. Гибель растений вызывает накопление диоксида углерода в верхних слоях атмосферы, от чего наступает и прогрессирует парниковый эффект, изменяя тем самым весь климат нашей планеты.

В ДВС сгорание ТВС происходит приблизительно в течение 2 мс, при различных значениях соотношения топлива и воздуха, а также при различных давлениях в КС. Состав ОГ ДВС также зависит от вида применяемого топлива, от вида рабочего процесса и степени его оптимизации [10].

Основными компонентами, содержащимися в ОГ ДВС являются: СО2, Н2О, СО, ^^ и NOx. Также в ОГ отмечается наличие сажи, оксида свинца, сероводорода, оксидов серы, альдегидов, ТЧ. Состав ОГ ДВС на 99,0-99,9 % [11] состоит из продуктов полного сгорания топлив (CO2 и H2O), а оставшаяся часть определяет экологический уровень двигателя.

Полное сгорание топлива в ДВС выражается следующей химической формулой [10].

НС + О2 = Н2О + СО2.

(1.1)

Отработавшие газы идеального ДВС должны содержать только воду (Н2О) и углекислый газ (СО2) [10]. Однако в реальности кроме вышеперечисленных веществ в ОГ содержатся: оксиды азота (N0^, монооксид углерода или угарный газ (СО), несгоревшие углеводороды (СпНт) - продукты неполного окисления топлива, свинец (РЬ) и сера (Б) [12].

Монооксид углерода (СО) образуется в нормальных условиях, является газообразным веществом без запаха и цвета. В результате вдыхания монооксид углерода соединяется с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин (НВСО), который угнетает центральную нервную и сердечно-сосудистые системы людей и животных и приводит к головокружениям, потере сознания, тошноте, а также при высоких концентрациях - к летальному исходу. Опасной является концентрация этого газа в воздухе ~0,3 % по объему [13]. Главными причинами образования СО в процессе горения в ДВС являются нехватка кислорода и малое время нахождения смеси в зоне горения [14].

Оксиды азота (N0). На долю (N0) в ОГ ДВС приходится от 95,0 до 99,5 % оксидов азота (N0), остальная часть - диоксид азота (N02) [11]. При высоких температурах в КС образуются окислы, как результат вступления азота в реакцию со свободным кислородом. Эти вещества опасны для организма и вызывают онкологические заболевания, становятся источниками появления смога, гибели растений и выпадения азотнокислотных осадков.

Диоксид азота (N0^ представляет собой токсичный газ с удушающим запахом, который вступает в химическую реакцию с парами воды атмосферы и выпадает в виде кислотных дождей. Эти кислоты, попадая в организм человека, вызывают нервные расстройства и хронические заболевания, разрушают ткани легких, вызывая отек и приводят к изменениям сердечно-сосудистой системы [15]. Причинами образования оксидов азота являются высокие температуры при сгорании топлива в ДВС [16].

Углеводороды (СпНт), выбрасываемые ДВС в окружающую среду в виде неокислившегося топлива в КС из-за обедненной ТВС [16], вызывают хронические заболевания в результате токсического воздействия на слизистые оболочки

дыхательной системы у людей и животных. Канцерогенные свойства несгоревших углеводородов доказаны экспериментально. Они способны проникать в лёгкие человека и животных, и вызывать изменения в крови, вплоть до возникновения патологических состояний кроветворной системы.

В топливе в виде примесей также содержится сера, которая, подвергаясь сгоранию, образует оксиды серы (Б0х). Эти оксиды обладают резким запахом, раздражают верхние дыхательные пути и слизистые оболочки глаз. Наиболее чутко реагируют на концентрацию диоксида серы в атмосфере дети и люди с заболеваниями бронхиальной астмы. Оксиды серы по аналогии с оксидами азота вступают в химическую реакцию с парами воды и выпадают в виде дождей, содержащих сернистую (Н2Б03) и серную (Н2Б04) кислоты. Необходимо отметить, что такая реакция проходит не только в атмосфере, но и в самом двигателе, что приводит к коррозии деталей ЦПГ [16], а также снижает ресурс катализатора автомобиля.

Сероводород (Н2Б) - бесцветный, ядовитый газ с запахом. Способен вызывать у человека и животных тяжелые отравления, удушья, потери сознания, нарушения функций центральной нервной системы, раздражения дыхательных путей и слизистых оболочек глаз. Причиной возникновения сероводорода в ОГ является взаимодействие серы, присутствующий в топливе, с водородом при температуре около 350 °С [17].

Сажа - это мельчайшие частицы углерода, которые могут сохраняться в нижних слоях атмосферы длительное время [18]. Сажа активно адсорбирует канцерогенные углеводороды типа бенз(а)пирена (С20Н12) и поэтому является опасной. Особенно активно выбросы сажи образуются при сгорании дизельного топлива в отличие от бензиновых двигателей, у которых эти выбросы в 2-3 раза меньше. Выбросы сажи считаются канцерогенными. Попадая в легкие организма человека и животных, они способны вызывать раздражения и заболевания.

Причиной образования сажи является недостаток кислорода при сгорании топлива или преждевременное охлаждение сжигаемых газов.

Оксид свинца (PbO). Свинец содержится в используемом топливе в виде антидетонационной присадки. При сгорании свинца образуется PbO. Это вещество способно накапливаться в живых организмах и растениях. Оно негативно воздействует на органы человека и его умственные способности. Количество свинца в различных видах топлив ограничивается ГОСТами.

Альдегиды (RCHO) - это органические соединения, отличающиеся резким запахом. При попадании в организм вызывают раздражения глаз и слизистых оболочек носа. Обладают токсичным эффектом, что приводит к нарушениям в работе центральной нервной системы, вызывает поражения внутренних органов у животных и человека [15].

Твердые частицы. Они свободно проникают через дыхательные пути в организм человека вместе с воздухом. Дисперсные частицы, выбрасываемые с выхлопными газами автотранспорта, обуславливают содержание в атмосферном воздухе до 10-17 % от всех частиц размером не более 0,1 мкм [11].

Углекислый газ (СО2) - это бесцветный газ, тяжелее воздуха в 1,5 раза. Большая часть парникового эффекта вызвана именно углекислым газом. При попадании в организм человека воздуха, в котором содержится 4-6 % СО2, возникают головокружения, головные боли, частое сердцебиение, при 8-10 % СО2 наступает потеря сознания, удушье, остановка дыхания, а при 12 % и более -кислородное голодание, приводящее к гибели.

Все перечисленные вещества при определенном содержании их в атмосфере могут привести к тяжелым последствиям для организма человека, вплоть до смертельного исхода. Степень влияния каждого из этих веществ различна, поэтому различна и предельно допустимая концентрация веществ в атмосфере.

Постоянно растущее количество транспортных средств привело к неуклонному увеличению содержания ВВ в окружающей среде. В последние десятилетия были ужесточены требования к предельным выбросам ВВ в ОГ ДВС [19]. Были разработаны и приняты нормы выбросов для автомобилей - нормы Евро (Евро-1, Евро-2 и др).

Первые нормы Евро-1 были применены в 1993 году [20]. Сейчас внедряются более жесткие нормативы выбросов ВВ с ОГ двигателей в окружающую среду -нормы Евро-5 и Евро-6. В Таблице 1.1 представлены нормы допустимых выбросов в странах Европейского союза и Российской Федерации согласно стандартам Евро.

С 2014 года в Европе действуют экологические нормы Евро-6. В первую очередь стандарты Евро-5 и Евро-6 коснулись двигателей, работающих на дизельном топливе, ограничив содержание таких выбросов, как оксид азота и сажи [21; 22].

Таблица 1.1 - Нормы предельных допустимых выбросов, г/км [20]

Нормы Год введения ЕС (РФ) Бензиновые двигатели Дизельные двигатели

СО СпНт N0 СО СпНт N0* РМ**

Евро-1 1993 (1999) 2,72 0,97* 2,72 0,97* 0,14

Евро-2 1996 (2006) 2,2 0,5* 1,0 0,67* 0,08

Евро-3 2000 (2008) 1,5 0,17 0,14 0,6 0,06 0,5 0,05

Евро-4 2005 (2010) 0,7 0,08 0,07 0,47 0,05 0,25 0,05

Евро-5 2008(2016) 1,0 0,1 0,06 0,5 0,05 0,18 0,005

Евро-6 2014 1,0 0,1 0,06 0,5 0,05 0,08 0,005

* - сумма СпНт и NO; ** РМ - твердые частицы

Однако, не транспорт является основной причиной загрязнения окружающей среды, а ДВС, установленные на нем. Для приведения ДВС к требованиям Евро по снижению вредных выбросов необходима постоянная доработка конструкции двигателей, применение топлива с низким содержанием свинца и серы, усовершенствование процесса сгорания топлива [23].

1.2 Основные направление снижения токсичности отработавших газов

Существуют четыре основных направления снижения токсичности ОГ ДВС: 1) модернизация конструкции ДВС;

2) воздействие на эксплуатационные параметры ДВС;

3) применение альтернативных источников энергии (топлива), а также специальных присадок к традиционным видам топлива;

4) широкое внедрение каталитических нейтрализаторов [24; 25].

Первое направление - модернизация конструкции ДВС - связано со следующими изменениями в двигателях:

1) усовершенствование конструкции топливной системы, переход от карбюраторов к многоточечному впрыску, что улучшило качество ТВС и способствовало увеличению полноты сгорания топлива;

2) усовершенствование конструкции КС и процесса получения горючей (рабочей) смеси;

3) модернизация системы подачи воздуха;

4) улучшение параметров воздушного заряда и системы охлаждения двигателя;

5) оптимизация конструкции ЦПГ.

Улучшения параметров воздушного заряда в впускной системе двигателя были сделаны в двух основных областях: рециркуляция ОГ и впрыск охладителя, или охлаждение наддувочного воздуха между турбокомпрессором и впускным коллектором дизельного двигателя. Регенерация ОГ обычно осуществляется за счет электронных приборов и снижения температуры ОГ. Рециркуляция позволяет снизить количество в ОГ CnHm от 15 до 20 %, CO от 5 до 20% и NOx от 30 до 65 % [26]. Все вышеперечисленные изменения в определенной мере, хотя и не полностью, решают задачи по повышению экологичности современных ДВС.

Второе направление - воздействие на эксплуатационные параметры ДВС. Это направление связано с качеством смесеобразования, сохранением технически исправного состояния двигателя и совершенствованием его режимов. Влияя на эти параметры, можно заметно улучшить показатели двигателя с точки зрения его экологичности. Например, можно повысить мощность двигателя, уменьшить расход топлива и снизить выбросы ВВ с выхлопными газами, регулируя подачу (впрыска) топлива и управляя функциями газораспределения.

Для решения проблем расхода топлива и снижения выбросов двигателя необходимо правильно согласовать работу систем подачи топлива и зажигания двигателя. Это было достигнуто широким внедрением микропроцессорных систем управления впрыском [27; 28].

При эксплуатации ДВС важно следить за состоянием элементов системы впрыска. Засоренные распылители, воздухоочистители или негерметичные клапаны могут привести к увеличению токсичности ОГ из-за уменьшения наполнения цилиндров и снижения давления в конце сжатия [29].

Третье направление - использование альтернативных видов топлива, таких как растительные масла, спирты, газы и специальных присадок (добавок), улучшающих сгорание топлива и снижающих токсичность ОГ.

К перспективным видам топлив в настоящее время относятся природные и нефтяные газы, водород, спирты, эфиры, топлива на синтетической основе и биодизельное топливо, произведенное из растительных масел [30].

Использованию альтернативных видов топлива препятствуют такие недостатки, как коксуемость форсунок, расслоение на компоненты и снижение мощности двигателя. Основным недостатком альтернативных видов топлива является то, что они дороги в производстве и не всегда доступны. Использование данных видов топлива предполагает необходимость решения таких проблем, как установка систем заправки топливом, обеспечивающих надежность, безопасность и соответствие требованиям; внесение изменений в конструкцию ДВС, использование редукторов, понижающих давление топлива при подаче в КС, а также смесителей; переоснащение или создание новых заводов по изготовлению и серийному выпуску двигателей, работающих на альтернативных видах топлива. Все эти вопросы необходимо решать на федеральном уровне на основе государственных, целевых и региональных программ при государственной поддержке, так как финансовые вложения в данную область должны быть значительны.

Добавки к топливам, снижающие токсичность ОГ. Существуют специальные химические вещества и добавки, как к альтернативным видам

топлива, так и к углеводородным, в виде присадок для снижения токсичности выхлопных газов двигателей и улучшения качества сгорания топлива.

Снижение токсичности ОГ также достигается путем добавления в поступающий воздух углеводородных активных веществ, способствующих увеличению полноты сгорания топлива. Эти вещества впрыскивают либо во впускной трубопровод, либо непосредственно во внутрь КС. Недостатком этого метода является невозможность автоматического поддержания заданной дозы активных веществ и необходимость внесения изменений в конструкции двигателя [31; 32].

Четвертое направление - использование каталитических нейтрализаторов. В 1995 году с принятием стандарта Евро-2 [33], который значительно ужесточил нормы выбросов, возникла необходимость оборудования автомобильных ДВС каталитическими нейтрализаторами [24]. Они служат для снижения концентрации ВВ (оксидов азота, углерода, углеводородов) в ОГ путем преобразования в менее токсичные соединения. Основным условием эффективной работы катализатора является обеспечение требуемого стехиометрического соотношения топлива и воздуха [34].

В химии, как известно, катализатор - это вещество, которое способствует или вызывает химическую реакцию, но само не участвует в ней. К таким веществам относятся медь, никель, золото, платина, палладий, родий и хром. Принцип действия автомобильных нейтрализаторов основан именно на способности каталитических веществ способствовать протеканию реакции окисления [35].

Когда концентрация катализатора мала по сравнению с концентрацией реактантов, ее достаточно для оказания каталитического эффекта, и катализатор участвует в химическом взаимодействии с реактантами, но не расходуется на образование конечного продукта. В случае обратимых реакций катализатор не смещает положение равновесия. Константы скорости прямой и обратной реакций в присутствии катализатора изменяются в одинаковой степени [36].

Современные каталитические нейтрализаторы надежно очищают ОГ ДВС:

- монооксид углерода (СО) - количество уменьшается на 90-97 %;

- углеводороды (СН) - уменьшается на 85-95 %;

- оксиды азота (NOx) - уменьшается на 65-95 %;

- твердые частицы (сажа) - уменьшается на 85-95 % [37].

Системы доочистки выхлопных газов имеют ряд существенных недостатков [38]: дороговизна каталитических нейтрализаторов; снижение мощности двигателей; трудоёмкое техническое обслуживание жидкостных нейтрализаторов в связи с очисткой топливной аппаратуры и удалением образовавшегося шлака.

Очевидно, что снижение выбросов токсичных веществ в ДВС до требуемого уровня Евро-6 может быть достигнуто только при одновременном использовании нескольких методов снижения токсичности выхлопных газов: конструктивными изменениями; учетом эксплуатационных показателей; использованием малотоксичных видов топлива и применением каталитических нейтрализаторов.

На настоящий момент применение каталитических нейтрализаторов является наиболее перспективным и эффективным способом снижения токсичности ОГ. В следующем разделе рассмотрены их основные виды, принципы работы и конструкции.

1.3 Нейтрализаторы отработавших газов

В настоящее время в ДВС используется несколько типов нейтрализаторов:

- каталитический;

- накопительный;

- термический;

- селективный;

- каталитический нейтрализатор в КС.

Каталитические нейтрализаторы. В каталитических нейтрализаторах или конвертерах процесс нейтрализации усиливается за счет использования каталитических веществ [39].

Каталитический эффект нейтрализаторов основывается на окислении ВВ в ОГ при их взаимодействии с поверхностью катализаторов. В процессе взаимодействия компонентов ОГ с катализатором, между ними происходит химическая реакция, скорость которой зависит от температуры поверхности катализатора. При этом оксид азота разлагается, а непрореагировавшие углеводороды и оксид углерода догорают [40].

Существуют 2-х и 3-х компонентные каталитические конвекторы, которые устанавливаются в автомобилях [41]. Двухкомпонентные конвекторы решают следующие задачи: доокисляют монооксид углерода до диоксида углерода и окисляют непрореагировавшие УВ до воды и диоксида углерода согласно следующим реакциям [41]:

В 3-х компонентных конвекторах дополнительно происходит восстановление оксида азота до молекул азота и кислорода [19; 41]:

Активными компонентами в каталитических преобразователях выступают металлы платиновой группы и окислы переходных металлов, например, алюминия, меди, хрома, кобальта, марганца, которые участвуют в процессе дожигания несгоревших углеводородов СпНт и оксида углерода СО [42]. Эти активные компоненты обычно наносятся на керамическую основу, которая имеет множество сот (пор), что дает возможность увеличить площадь соприкосновения выхлопных газов с катализатором [40; 43; 44]. Схема такого каталитического нейтрализатора представлена на Рисунке

2СО+О2 ^ 2СО2; СхН2х+2 + 2x02 ^ ХСО2 +2ХН2О (реакция горения).

(1.2) (1.3)

2Шх ^ хО2 + N2, 2СО+О2 ^ 2СО2, СхН2х+2 + 2хО2 ^ ХСО2 +2ХН2О.

(1.4)

(1.5)

(1.6)

Выбросы в атмосферу

? ^-\

4

Рисунок 1.2 - Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор ОГ [45]: 1 - место для датчика кислорода (лямбда-зонд); 2 - терморасширяющаяся прокладка; 3 - катализатор; 4 - керамический носитель; 5 - корпус

Существуют металлические каталитические нейтрализаторы, носители которых состоят из тонкой алюминиевой фольги, поверхность которой покрыта катализатором. Преимуществом такого носителя является его сниженное сопротивление прохождению ОГ в сравнении с керамическим носителем и большая прочность [46].

Эффективность работы каталитического нейтрализатора сильно зависит от соотношения смеси «воздух/топливо». На Рисунке 1.3 показаны зоны эффективности нейтрализатора. Заштрихованная линия - это рабочая зона «стехиометрической» смеси. Зона «богатой» смеси между 10 и 14,6 характеризуется высокой долей оксида азота (NOx) и низкими долями СО и CnHm. А зона «бедной» смеси - от 14,6 и выше - характеризуется высокими долями СО и CnHm и низкой - NOx.

Нейтрализаторы начинают работать при их нагревании свыше 300 °С. Наиболее эффективная работа катализатора наблюдается в диапазоне 400-800 °С [47]. Поэтому для быстрого нагрева катализатора до рабочих температур стремятся расположить его ближе к двигателю, комбинируя с коллекторной трубой.

А. % МО-,

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Наноструктурные покрытия с каталитическим эффектом для поршней двигателей внутреннего сгорания»

Зона работы

.У

100 89 80

60

20

40

5

13:1 14:1 14,6:1 15:1

Рисунок 1.3 - Зоны эффективности нейтрализатора [48]:

А - эффективность нейтрализатора; Б - соотношение воздух-топливо

При работе ДВС с богатой смесью катализатору окисления необходим подвод дополнительной порции воздуха, для чего используются насосы и клапаны, функционирование которых обеспечивается за счет разряженного воздуха из выхлопной системы двигателя. Более подходящим для этих целей являются каталитические нейтрализаторы, состоящие из двух блоков. В первом блоке происходит восстановление оксида азота до азота и кислорода, а во втором блоке снижение доли несгоревших углеводородов СпНт и оксида углерода СО после введения в него дополнительного воздуха.

В последние годы нишу заняли трехкомпонентные катализаторы с датчиком, определяющим состав продуктов горения (лямбда-зонд), позволяющие одновременно окислять СО и СпНт в процессе регенерации NOx [49].

Накопительные нейтрализаторы. В процессе работы двигателя на стехиометрической смеси накопительные нейтрализаторы функционируют, как трехкомпонентные нейтрализаторы, но способные удерживать окислы азота [50]. В случае превышения критического объема окислов азота в данном накопительном нейтрализаторе при работе ДВС на обедненной смеси по сигналу датчика двигатель переключается к богатой смеси. В результате чего окислы азота доокисляются до воды, азота и диоксида углерода [51].

Термические нейтрализаторы. Такие нейтрализаторы представляют собой камеры со специальной организацией течения выхлопных газов, устанавливаемые в выпускной системе ДВС (Рисунок 1.4), которые окисляют СО и ^^ при высоких температурах ОГ [52]. Корпус устройства 4 выполнен из жаропрочного материала. В цилиндрическом циклоне 5 создается необходимая турбулентность для эффективного взаимодействия продуктов неполного сгорания с кислородом. Время пребывания в устройстве должно соответствовать полному сгоранию ВВ в ОГ. Например, оптимальными температурными диапазонами являются 500-760 °С для окисления углеводородов, 680-800 °С для окисления угарного газа [53; 54].

Рисунок 1.4 - Термический нейтрализатор [55]: 1 - нагреватель; 2 - входной патрубок; 3 - выходной патрубок; 4 - корпус;

5 - цилиндрический циклон; 6 - воздухопровод

Селективный катализатор. Данная система очистки ОГ двигателей состоит из катализаторов окисления и восстановления. В процессе очистки ОГ добавляется восстановитель - мочевина или аммиак [56]. В данном катализаторе окислы азота вступают в реакцию с мочевиной (КН2)2СО, которая впрыскивается в ОГ до катализатора. В результате химической реакции образуются молекулы азота, воды и диоксида углерода. [57].

В Таблице 1.2 представлены данные по снижению токсичности ОГ по каждому направлению.

3

Таблица 1.2 - Данные по снижению токсичности ОГ [58-64]

Параметры по снижению токсичности ОГ Нейтрализация компонентов Эффективность очистки Мощность двигателя, % Расход топлива, % Усложнение конструкции Стоимость

СО, % СН, % Шх %

1. Конструктивные изменения 1.1 Уменьшение угла опережения зажигания (впрыска) топлива норма -5.25 -0.60 средняя - норма Данный способ требует внесения в двигатель дополнительных конструкций Ценовая категория может варьироваться до сотни тысяч рублей.

1.2 Рециркуляция ОГ (до 15.. .20%) норма норма -35.40 норма норма

1.3 Обеднение главной дозирующей системы карбюратора (а=1,05...1,15) -40 -15 -30 -8.10 -5.10

1.4 Увеличение зазора между электродами свечей зажигания норма -30 нор норма норма

1.5 Установка оптимальных углов опережения зажигания норма -30 -20 норма норма

1.6 Применение электронной системы зажигания норма норма норма норма уменьше ние

1.7 Конструкция КС (Fкc/Vкc) норма -35.50 -10.15 норма норма

1.8 Применение наддува -20 -30 +60 +30 +20

1.9 Теплоизоляция стенок КС -60 -50 +40 -30 -10

1.10 Применение 4-х и более клапанов на один цилиндр -60 -20 -20 +15 -10

Продолжение таблицы 1.4

Параметры по снижению токсичности ОГ Нейтрализация компонентов Эффективность очистки Мощность двигателя, % Расход топлива, % Усложнение конструкции Стоимость

СО, % СН, % N0 %

1.11 Повышение степени сжатия с 9.5 до 12 норма -25 +100 +25 -15

1.12 Много искровые зажигания или установка более одной свечи зажигания норма -20 -25 норма норма

2. Альтернативные топлива 2.1 Водород отсутс твует отсутс твует +30 высокая -20 -20.30 Применение водорода в качестве моторного топлива может быть эффективно только лишь при создании специализирован ных конструкций. Производство водорода очень затратное, так как требуется большое количество электроэнергии. Например, стоимость одного литра водорода (сжиженного) оценивается от двух до восьми евро.

2.2 Газообразное топливо -50...70 -25.45 -20 средняя -10 + Установка газобаллонного оборудования. Ценовая категория установки газобаллонного оборудования может варьироваться до сотни тысяч рублей. Стоимость топлива в 1,5-2 раза дешевле по сравнению с бензином.

Продолжение таблицы 1.4

Параметры по снижению токсичности ОГ Нейтрализация компонентов Эффективность очистки Мощность двигателя, % Расход топлива, % Усложнение конструкции Стоимость

СО, % СН, % Шх %

2.3 Спирты -75 -25.40 -35.50 средняя +10..15 +50 - Низкая цена топлива. Адаптация ДВС «под спирт» затрагивает лишь систему питания двигателя и в нынешних ценах вряд ли превысит десять тысяч рублей.

3. Каталитическая нейтрализация -90 -90 -76 высокая -7.8 +5.6 На практике каталитический нейтрализатор располагается в металлическом корпусе в системе выпуска ОГ. В корпус заключена подложка из керамики или металла, на которую нанесены частицы благородных металлов. Катализаторы делятся по категориям, так называемые «Евро 2-5». Чем выше тыс. руб.стандарт, тем больше драгоценных металлов нанесено на катализатор. Самые дорогие катализаторы на данный момент в автомобилях, производимых в Германии и Японии. Средняя цена для немецких а/м будет составлять от 3000 тыс. руб. до 15000 руб., для японских а/м от 3000 тыс. руб. до 25000

Каталитические нейтрализаторы в КС. Одним из перспективных методов снижения выбросов является нанесение специального покрытия на поверхность деталей ЦПГ и головку блока, что позволит создать каталитический нейтрализатор непосредственно в КС. В качестве покрытия могут использоваться оксиды металлов и металлы, относящиеся преимущественно к платиновой группе [65].

Одно из первых испытаний поршней с каталитическим покрытием было проведено в конце 20-го века. При испытаниях ДВС, у которого на верхней и боковой поверхности головки поршня было нанесено платинородиевое покрытие, было обнаружено уменьшение количества несгоревших углеводородов (CnHm) до 20 % и монооксида углерода в ОГ. Выбросы СО также снижаются до 13 % в зависимости от площади покрытия [67-68].

В исследованиях зарубежных авторов Поннусами П., Субраманиана Р. и Натараджана Н. [69] представлены исследования влияния покрытий из никеля, меди и хрома, нанесенных на стенки КС (днище поршня и головку блока цилиндров). Эксперименты проводились на одноцилиндровом двигателе с искровым зажиганием и сравнивались со штатным двигателем. Результаты показали, что двигатель с поршнями, имеющими покрытие, обладает на 20,12 % более высоким коэффициентом полезного действия (снятым на тормозном стенде) по сравнению со штатными поршнями, выбросы несгоревших углеводородов СпНт, оксида углерода СО уменьшились, выбросы оксида азота ЫОх - увеличились. При этом покрытие из меди оказалось более эффективным.

В научных трудах Дураджи В.Н., Дураджи Ю.В. [70] путем нанесения каталитического покрытия на детали КС ДВС уменьшили концентрацию токсичных веществ (оксида углерода и углеводородов) в ОГ в 3-5 раз. Каталитическое покрытие наносилось с помощью добавления специального состава в систему смазки двигателя. При работе двигателя масло доставляло состав вещества-катализатора к поверхностям всех трущихся деталей. Под действием сил трения благодаря наличию такого покрытия на поверхности деталей КС происходили химико-физические и структурные превращения, приводящие к реакциям окисления оксида углерода и углеводородов.

В работах Мельникова В.Б., Вершинина В.И. [71] на поверхности деталей КС наносят катализатор из меди или оксида меди, или комбинированно, содержащие металл или оксид металла из состава марганца, никеля, хрома или их смесей в определенном количестве. Покрытие наносили электролитическим осаждением из раствора солей пропусканием через них постоянного тока. Температура электролиза была 45 °С, напряжение 380 В, продолжительность 1-30 мин. Толщина покрытия составила 0,1-10 мкм. Каталитическое покрытие позволило уменьшить расход топлива до ~10 %, нагарообразование и дымность также снизились на 70-90 %, снизилось содержание в ОГ оксида углерода и оксида азота на 20-29 %, при этом мощность повысилась до ~4,5 %.

Во всех вышерассмотренных работах покрытия наносились при помощи плазменного напыления или гальваническим методом и содержали атомы металлов. Но при испытаниях деталей КС ДВС с МДО-покрытием, которое наносили с целью снижения прогара или повышения износостойкости, был обнаружен также каталитический эффект.

В исследованиях, проведенных Парсадановым И.В. и Поливянчуком А.П. [68] рассматривались вопросы влияния гальваноплазменного покрытия, сформированного методом МДО, на массовые выбросы ТЧ. В качестве объекта исследования был выбран автотракторный дизель 4ЧН12/14 с тремя типами поршней: штатный (без покрытия) и поршни с покрытием толщиной 0,12 мм и 0,24 мм. Покрытие наносилось на днище поршня и боковую часть. Методика испытаний предусматривала измерения при частотах вращения коленчатого вала 1000, 1500 и 2000 мин-1 и на нагрузках 25, 50, 75 и 100 %. Контроль массовых выбросов ТЧ производился измерительным комплексом с микротоннелем, средняя погрешность измерений составляла ±10 %. В результате применения покрытия на поршне было обнаружено, что массовые выбросы ТЧ с ОГ среднем снизились на 19 % при толщине покрытия 0,12 мм, и на 30 % при толщине покрытия 0,24 мм.

В работах Осипова А.Р., Борисова В.А. Супрунова Г.И., Мухина В.А., Иванова А.Л., Сигаева С.С., Аношкиной Е.А., Темерева В.Л., Хохлова А.А., Цырульникова П.Г. [72; 73] изучено влияние каталитических покрытий на

окисление СО. Исследования проводились на образцах из алюминиевого сплава АК9ч с МДО-покрытием и с МДО, активированным палладием. Катализатор с палладием изготавливали в несколько этапов: 1) материал АК9ч обрабатывали на фрезерном станке для увеличения геометрической поверхности; 2) на поверхность наносили оксидированный слой методом МДО в режиме постоянного тока с плотностью 1,1-1,7 А/дм2 в растворе электролита 4 г/л КОН, 40 г/л Ыа2В407; 3) пропитывали образец раствором ^(МНз^] (N03)2.

Исследование катализаторов на реакцию окисления СО проводили в проточном реакторе с использованием газовой смеси состава: 1 %-ом СО + 99 %-ом воздуха. Время контакта газа с покрытием составляло ~ 0,4 с. Концентрацию СО до и после реакции определяли хроматографическим методом. Активность оценивали по температурам достижения 50 % степени превращения СО (Т50). Для каталитических испытаний брали образцы массой 3,2-3,4 г. Эти исследования показали, что МДО-покрытия снижают количество СО в газе на 4,5 %.

В работах Казанцева И.А., Бычкова В.И., Казанцева А.И. [74] исследовано влияние теплофизических свойств поршней двигателя УМЗ-417, изготовленных из сплава АК12, на его эксплуатационные характеристики. Покрытие наносили на днище поршня методом МДО толщина которого составляла 25 мкм. Стендовые испытания проводили с комплектами штатных поршней и поршнями с теплозащитным оксидированным слоем. Анализ стендовых испытаний показал, что поршни, покрытые теплозащитным оксидным слоем, в отличие от штатных, увеличивают мощность двигателя на 3 кВт с увеличением скорости. При частоте вращения коленчатого вала 2400-2500 мин-1 удельный эффективный расход топлива снижается в среднем на 7,7 %. Также было обнаружено снижение концентрации оксида углерода на 7 %, и углеводородов на 10 % по сравнению с двигателем со штатными поршнями.

В работах Еникеева Р.Д., Валеева В.С., Сакулина Р.Ю. [75] также исследовалось влияние МДО покрытия на повышение стойкости поршней к прогару на двигателях снегоходов РМЗ-550 и РМЗ-55П. Были измерены и экологические характеристики двигателей. Испытания проводили с комплектами двух типов поршней: штатными без МДО и с МДО-слоем на днище. Штатные

поршни изготовлены из алюминиевого сплава марки М244 с содержанием кремния 26 %. Поршни с МДО-слоем выполнены на базе штатных. Толщина МДО-слоя составляла 130±10 мкм. Исследование проводилось при частоте вращения коленчатого вала 3000-6750 мин-1 и открытии дроссельной заслонки (ДЗ) 40 %, 60 % и 100 %, соответственно. При открытии ДЗ 100 % зафиксировано снижение NOx с -220 ppm до -175 ppm на средних частотах вращения коленчатого вала по сравнению со штатными поршнями. При работе на поршнях с МДО-слоем и открытия ДЗ 40 % и 60 %, эмиссия NOx понизилась: с -50 ppm до -5 ppm, и с -100 ppm до -50 ppm, соответственно, на малых и средних скоростях вращения.

В работах Хохлова А.Л, Глущенко А.А., Марьина Д.И., Башаева А.Г. [76] исследовалось МДО-покрытие головки поршня на экологические показатели бензинового двигателя, и было установлено изменение содержания оксида углерода и углеводородов в ОГ. Испытания проводились на бензиновом двигателе со штатными и экспериментальными поршнями на испытательном стенде, оборудованным электротормозной установкой производства МЭЗ-Всетин. У исследуемого двигателя обнаружено снижение оксида углерода и углеводородов по сравнению со штатным двигателем, и составила 13 % и 9,3 %, соответственно.

Обзор литературы показывает, что в некоторых работах при использовании МДО на деталях КС ДВС отмечается снижение NOx, а в некоторых работах - СО и ^Hm. Некоторые исследования проводились в лабораторных условиях, без использования двигателей. При этом более систематизированных исследований по изучению влияние МДО-покрытий на токсичность ОГ не проводилось.

1.4 Выбор пути решения проблемы с обоснованием гипотезы

Проведенный обзор литературы показал, что существует довольно большое количество способов снижения токсичности ОГ (Рисунок 1.5). Многие из этих способов довольно дорогостоящие (модернизация конструкций ДВС, использование каталитических покрытий из драгоценных металлов), некоторые требуют разработки и проведения мероприятий на государственном уровне

(внедрение альтернативных видов топлива, улучшение качества традиционных видов топлива, разработка сети заправочных станций), часть способов (использование каталитических нейтрализаторов) практически исчерпали свои возможности.

Для того, чтобы довести содержание ВВ в ОГ двигателей до современных норм Евро-6, уже недостаточно очистки каталитическими нейтрализаторами, устанавливаемыми в выпускной системе двигателя. Поэтому дополнительным способом очистки ОГ для доведения их состава до требуемых норм может стать снижение токсичности ОГ непосредственно в КС двигателя. Этот подход позволит частично снизить токсичность ОГ в КС, и избавиться в будущем от объемных блоков катализаторов в коллекторе двигателя. Для уменьшения токсичности ОГ в КС предлагается сформировать каталитическое покрытие на поверхностях деталей ЦПГ, а также головки блока цилиндров [19].

Среди множества технологий нанесения покрытий на детали [77] выделяется технология МДО. Его особенность заключается в том, что эта технология формирует на поверхностях деталей керамическое покрытие, обладающее теплоизоляционными свойствами, развитой пористой структурой, устойчивостью к высоким температурам и повышенной износостойкостью [76]. Покрытия методом МДО могут использоваться в качестве катализаторов, так как они состоят из а-А1203, у-Л1203, муллитов и силлиманитов [61; 78; 79]. Как известно, активность этих веществ связывают с количеством активных центров, пористостью поверхности (в среднем до 20 %) и развитой структурой [80].

Рисунок 1.5 - Классификация способов снижения токсичности ОГ ДВС [Разработано автором]

Представленные аргументы позволяют сделать вывод, что снижение токсичности ОГ непосредственно в КС двигателя может быть перспективным направлением, способным снизить стоимость и повысить эффективность нейтрализации ОГ, а в перспективе избавиться от блока катализатора в коллекторе двигателя и сохранить при этом мощность ДВС.

Выводы по главе 1

1. Токсичные вещества, находящиеся в ОГ ДВС, нарушают работу систем организма человека и снижают безопасность окружающей среды. Загрязнения воздуха приводят к опасным последствиям для человека и окружающей среды, увеличивая вероятность рождения детей с пороками здоровья. Повышенная концентрация токсичных веществ приводит к различным заболеваниям. Поэтому работы и исследования, связанные со снижением токсичности ОГ ДВС, будут всегда актуальными.

2. Обзор способов снижения токсичности выхлопных газов ДВС показал, что:

а) модернизация конструкции ДВС - требует внесение в двигатель дополнительных конструктивных изменений, что ведет к увеличению цены двигателя;

б) воздействие на эксплуатационные факторы ДВС - уменьшает содержание ВВ в ОГ, но вызывает снижение технико-экономических показателей двигателя;

в) использование альтернативных видов топлива - требует установки дополнительного оборудования, изменение конструкции двигателя, в зависимости от используемого вида топлива, внедрения специальных технологий производства топлив и сети заправочных станций;

3. Наиболее эффективным способом очистки ОГ является использование каталитических нейтрализаторов ТК, содержащихся в ОГ. Однако каталитические нейтрализаторы имеют следующие недостатки:

а) состав горючей смеси должен быть близок к стехиометрическому соотношению «воздух-топливо» (наиболее эффективна работа катализатора в узком диапазоне от 14,5 до 14,7);

б) в выпускном коллекторе обязательно устанавливается дополнительное дорогостоящее оборудование - датчик кислорода, так называемый лямбда-зонд;

в) температура начала работы катализатора свыше 300 °С;

г) использование металлов платиновой группы в качестве химических катализаторов обуславливает их высокую себестоимость и технологическую сложность производства;

д) необходимы сложные конструктивные изменения в выпускной системе ДВС;

е) иногда наблюдается засорение сажей, плавление или разрушение катализаторов, что задерживает газ в системе и приводит к потере мощности двигателя.

4. Перспективным направлением снижения токсичности ОГ может стать использование каталитических нейтрализаторов непосредственно в КС ДВС. Каталитические нейтрализаторы можно создать, формируя специальное покрытие на поверхности деталей ЦПГ (поршни, гильзы), в том числе и на головку блока цилиндров. Для этого подходят керамические наноструктурные покрытия, созданные методом МДО на алюминиевых сплавах. Эти покрытия состоят из оксидов алюминия, которые традиционно используются в каталитическом нейтрализаторе как носители и/или катализаторы, и имеют значительную пористость. Кроме этого, известны экспериментальные результаты, подтверждающие такую способность МДО-покрытий.

На основе информации, приведенной в Главе 1 , были сформулированы цель и задачи диссертационной работы, которые представлены во Введении.

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУРНЫХ ПОКРЫТИЙ, ФОРМИРУЕМЫХ МЕТОДОМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ, ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧНОСТИ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

2.1 Химическая кинетика образования компонентов отработавших газов в

поршневом двигателе

Процесс сгорания ТВС в ДВС является важным направлением при разработке двигателей. Современные теоретические представления, касающиеся как химических реакций, так и физики горения, остаются не до конца исследованными и базируются преимущественно на полуэмпирических подходах.

Процессы образования различных веществ в ходе химических реакций, протекающих в КС ДВС, были описаны в целом ряде работ. Среди наиболее значимых можно выделить исследования, проведенные Звоновым В.А., Кульчицким А.Р., Самойловым Н.П., Смайлисом В.И., Варнатца Ю. и др. [81-85]. Рассмотрим известные на сегодняшний день механизмы образования ТК в ОГ.

При сгорании топлива в ОГ ДВС образуются следующие компоненты: азот N2 (74-78 %); кислород О2 (0,3-18 %); водяной пар Н2О (0,5-9,0 %) - данные компоненты относятся к нетоксичным веществам, монооксид углерода СО (0,0050,4 %); диоксид углерода СО2 (0,1-12,0 %); оксид азота (0,004-0,8 %); несгоревшие углеводороды СдИш (0,009-3 %); альдегиды RCHO (0-0,2 %); сажа С (0-1,1 г/м3); оксид сера SОx (0,002-0,02 %) [86]. Известно, что в составе ОГ бензиновых ДВС в большинстве случаев преобладают оксиды углерода, оксиды азота и углеводороды, тогда как в ОГ дизельных ДВС, помимо этих соединений, также присутствуют диоксид серы и ТЧ [87].

Химические уравнения образования основных компонентов ОГ. Химические реакции формирования основных токсичных веществ ОГ ДВС представлены в работах Лашко В.А. и Привальцева И.Ю. [88]:

1. Химические уравнения образования альдегидов - ЯСНО:

ЯСНО -I

СН3 - ... - СН2 - СН2 - СНО

... - СН2 - СНО

О2

СО + Н2О + СН3 -СО + Н2О + СН3 - . - СНО

13

О2

(2.1)

2. Химические уравнения образования СО и СО2:

СНО + ОН ^ СО + Н2О, С + ОН ^ СО + Н, СО, СО2 -I 2СО2 ^ 2СО + О2,

Н2О + СО = Н2 + СО2, ОН + СО = СО2 + Н, СО + О = СО2.

3. Химические уравнения образования О2 и N2

^О + Н2-> N2 + Н2О.

4. Химические уравнения образования NOx:

(2.2)

(2.3)

NOx

2Ш + О2 --—► 2NO2 + 112625 кДж/моль, О2 + N2 ► Ж^ + N, N2 + О -—► NO + N - 316 кДж/моль, N2 + О2 --—- NO + О + 136 кДж/моль,

ОН + N2 ... ->..... NO + ЯН,

МН + О2 -> NO + ОН,

2NO + О = 2^2.

(2.4)

Механизм образования альдегидов. Процесс образования альдегидов в ОГ ДВС происходит при сгорании обедненной ТВС при пониженных температурах, которые наблюдаются возле стенки гильзы [84].

Альдегиды способны вступать в реакцию с молекулярным кислородом, что приводит к образованию гидроперекисей. Этот процесс протекает в температурном диапазоне от 250 до 380 °С, в результате чего образуются более простые молекулярные структуры [89]. Окисление насыщенных альдегидов происходит согласно реакции [81]:

НСНО + 10 ^ СО + НО.

(2.5)

В ОГ ДВС присутствуют различные группы альдегидов: формальдегид, ацетальдегид и акролеин. В составе ОГ двигателей с искровым зажиганием

основную долю альдегидных соединений занимает формальдегид (-60 %), количество акролеина составляет 9-22 %, остальные альдегиды 10-15 %. Суммарное содержание альдегидов в ОГ, выделяемых двигателями с искровым зажиганием, может достигать 240 мг/м3, тогда как у двигателей с воспламенением от сжатия (дизели) этот показатель существенно ниже -30 мг/м3 [90].

Механизм образования углеводородов. Образование углеводородов обусловлено снижением интенсивности пламени горения [91], причинами чего является снижение интенсивности горения в зазорах (щелях), пристеночном слое КС и локальным гашением пламени, вызванным интенсивной турбулизацией продуктов сгорания [92; 93]. Щели, зазоры и пристеночные слои являются теми зонами, в которых горение не может протекать полноценно из-за пониженной температуры среды [93].

Механизм образования оксида углерода. В ОГ бензиновых двигателей содержание монооксида углерода (СО) может составлять -12 % [86]. Главной причиной образования СО является недостаток кислорода, который возникает вследствие ряда причин, таких как, неправильная регулировка системы питания, неравномерное распределение ТВС в КС, наличие обогащенной смеси (формула (2.2)) [86].

Механизм образования окислов азота. В процессе горения образуются оксиды азота. Существуют четыре механизма образования оксидов азота при сгорании ТВС.

При сгорании ТВС возникают процессы, приводящие к образованию оксидов азота, которые обусловлены четырьмя различными механизмами. Первый механизм связан с тем, что в пламени за короткий промежуток времени формируются N0^ сопровождающиеся появлением активных радикалов - атомов кислорода, водорода и гидроксогрупп [85; 94]. По второму механизму происходит термическое образование N0^ когда при температурах свыше 2000 К в зоне продуктов сгорания азот окисляется кислородом (формула (2.4)) [85; 94; 95]. Третий механизм связан с азотосодержащими видами топлива, из которых при

температурах 1100-1275 К высвобождается азот, который окисляется, что приводит к образованию оксидов азота [96]. Четвертый механизм заключается в преобразовании высших окислов азота в N0x [85].

2.2 Обоснование возможности использования покрытия, формируемого методом микродугового оксидирования, в качестве катализатора для снижения токсичности отработавших газов

Из всех имеющихся способов нанесения керамических покрытий на настоящий момент перспективным считается метод МДО, который формирует оксидный керамический слой на деталях из алюминиевых сплавов, и подходит для деталей ЦПГ и головки блока, которые функционируют в условиях высоких термических и механических нагрузок [97-99].

Технология процесса МДО заключается в следующем: деталь помещается в электролитическую ванну, затем специальный источник питания подает на деталь и электрод напряжение, что вызывает формирование микроплазменных разрядов на поверхности детали. Под воздействием этих разрядов верхний слой металла превращается в оксид алюминия. В результате такой обработки поверхность модифицируется и приобретает керамическую структуру - формируется МДО-покрытие [100].

Такое покрытие имеет структуру, в которой выделяют переходный, рабочий и технологический слои (Рисунок 2.1). В непосредственной близости к подложке располагается тонкий переходный слой (0,01-0,1 мкм), который обеспечивает плавный переход между материалом подложки и последующим оксидным слоем. За ним следует рабочий слой с высокой плотностью и микротвердостью. Завершающим элементом является внешний, технологический, слой с рыхлой структурой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ситдиков Венер Мунирович, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бондаренко, Е. В. Дорожно-транспортная экология / Е. В. Бондаренко, Г. П. Дворников. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 113 с.

2. Тришкин, И. Б. Жидкостный нейтрализатор для двигателей внутреннего сгорания/ И. Б. Тришкин, О. О. Максименко // Сельский механизатор. - 2007. - №2 1.

- С. 12-19.

3. Дударева, Н. Ю. Снижение токсичности отработавших газов двигателя внутреннего сгорания применением керамического покрытия на деталях камеры сгорания / Дударева Н. Ю., Ситдиков В. М. // Двигателестроение. - 2023. - № 3. -

C. 61- 70.

4. Kuznetsov, YU. A. Formation Of Wear-And Corrosion-Resistant Ceramic Coatings By Combined Technologies Of Spraying And Micro-Arc Oxidation / YU. A. Kuznetsov, M. A. Markov, A. V. Krasikov, R. YU. Bystrov, A. N. Belyakov, A.

D. Bykova, A. M. Makarov, Yu. A. Fadin // Russian Journal Of Applied Chemistry.

- 2019. - Vol. 92. - № 7. - Р. 875-882.

5. Dudareva, N. Yu. Structure and Thermophysical Properties of Oxide Layer Formed by Microarc Oxidation on AK12D Al - Si Alloy / N. Yu. Dudareva, P. V. Ivashin, R. F. Gallyamova, A. Ya. Tverdokhlebov, M. M. Krishtal // Metal Science and Heat Treatment. - 2021. - Vol. 62. - Р. 701-708.

6. Бремер, Г. Введение в гетерогенный катализ / Бремер Г., Вендландт К. П.

- М.: Мир, 1981. - 160 с.

7. Современные методы и средства снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-metody-i-sredstva-snizheniya-toksichnosti-otrabotavshih-gazov-dizelnyh-dvigateley, свободный.

8. Цифра дня: сколько автомобилей на планете [Электронный ресурс].

- Режим доступа: https://www.autonews.ru/news/5c9114d69a7947491f827c6e, свободный.

9. Цифра дня: сколько человек умирают в год из-за загрязнения атмосферы [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

https: //news .rambler.ru/scitech/43659184/?utm_content=news_media&utm_medium=re ad_more&utm_source=copylink, свободный.

10. Процесс сгорания топлива [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.mskjapan.ru/articles/process_sgorania_topliva, свободный.

11. Кульчицкий, А. Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей / А. Р. Кульчицкий. - М.: Академический Проект, 2004. - 400 с.

12. Токсичность продуктов сгорания [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://vxi.ru/ecology/toksichnost-produktov-sgoraniya, свободный.

13. Компоненты выхлопа двигателей внутреннего сгорания. Состав выхлопных газов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ustroistvo-

avtomobilya.ru/sistemy-snizheniya-toksichnosti/komponenty-vy-hlopa-dvigatelej-vnutrennego-sgoraniya/, свободный.

14. Орлов, М. Ю. Моделирование процессов в камере сгорания / М. Ю. Орлов, С. В. Лукачёв, С. Г. Матвеев.- Самара: Самарский НИУ, 2017. - 292 с.

15. Кирасиров, О. М. Нейтрализация выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей / О. М. Кирасиров, Г. А. Нестеренко, В.И. Старичков // Национальная ассоциация ученых. - 2015. - № 5-2(10). - С. 87-91.

16. Компоненты выхлопа ДВС. Состав выхлопных газов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ustroistvo-avtomobilya.ru/sistemy-snizheniya-toksichnosti/komponenty-vy-hlopa-dvigatelej-vnutrennego-sgoraniya/, свободный.

17. Сероводород - MEL Chemistry [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://melscience.com/RU-ru/articles/serovodorod/, свободный.

18. Барышева, О. Б. Математическая модель сажеобразования в пламени гомогенной углеводородовоздушной смеси / О. Б. Барышева, Ю. Х. Хабибуллин, Р. А. Садыков // Известия КГАСУ. - 2017. - № 2. - С. 320-321.

19. Ситдиков, В. М. Снижение токсичности отработавших газов поршневого двигателя / В. М. Ситдиков, Н. Ю. Дударева, Р. Ю. Сакулин // Молодежный вестник уфимского государственного авиационного технического университета. - 2019.

- №1(20). - С. 163-169.

20. Вся информация, которую нужно знать об экологическом стандарте Евро-6 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://1gai.ru/publ/516919-vsya-informaciya-kotoruyu-nuzhno-znat-ob-ekologicheskom-standarte-evro-6.html, свободный.

21. Блохин, А. Н. Результаты исследования электромобиля на шасси «ГАЗель / А. Н. Блохин, А. М. Грошев, Т. А. Козлова, А. Д. Яржемский, М.С. // Наука и образование. Научное издание «МГТУ им. Н.Э. Баумана». - 2012. - № 12.

- Эл. № ФС77-48211.

22. Все о евростандартах: от Евро-1 до Евро-6 [Электронный ресурс].

- Режим доступа: https://prounit.info/euro-1-to-euro-6/, свободный.

23. Экологические стандарты Евро [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.stroyteh.ru/wiki/Евро6, свободный.

24. Оберемок, В. А. Современные методы и средства снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей / В. А. Оберемок, А. В. Жученко, А. М. Аванесян, А. А. Аукин // Политематический сетевой электронный научный журнал кубанского государственного аграрного университета. - 2016. № 123. - С. 727-741.

25. Горбунов, В. В. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В. В. Горбунов, Н. Н. Патрахальцев. - М.: Российского университета дружбы народов, 1998. - 214 с.

26. Петров, А. А. Снижение вредных выбросов тракторного дизеля 4Ч 11/12,5 путём рециркуляции отработавших газов: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 08.20.03, 05.20.01 / Петров Алексей Александрович. - Саратов., 2006. - 27 с.

27. Вартанов, А. З. Методы и приборы контроля окружающей среды и экологический мониторинг / А. З. Вартанов, А. Д. Рубан, В. Л. Шкуратник. - М.: Горная книга, 2009. - 647 с.

28. Евсеев, А. А. Пути снижения вредных выбросов отработавших газов автомобилей для повышения экологичности / А. А. Евсеев, Д. А. Красникова, Н. М. Болотов // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. - 2015. - Том 2. - № 2(3). - С. 564-568.

29. Факторы, влияющие на загрязнение атмосферы транспортом [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://studbooks.net/2454825/tehnika/ekologicheskaya_bezopasnost, свободный.

30. Марков, В. А. Исследование работы дизеля на смесях дизельного топлива и соевого масла / В. А. Марков, С. Н. Девянин, В. А. Неверов // Тракторы и сельхозмашины. - 2014. - №11. - С. 3-9.

31. Рыблов, М. В. Электронная система распределенного обогащения воздушного заряда тракторного дизеля / М. В. Рыблов, Д. А. Уханов, А. П. Уханов. // Нива Поволжья. - 2018. - № 1 (46). - С. 114-120.

32. Рыблов, М. В. Разработка автоматической системы распределительного обогащения воздушного заряда тракторного дизеля / М. В. Рыблов, Д. А. Уханов, А. П. Уханов // Вестник Мордовского университета. - 2018. - Том. 28. - № 4. - С. 523-536.

33. Все об автомобильных каталитических нейтрализаторах [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://avtokapitan.ru/blog/vsyo-ob-avtomobilnyh-kataliticheskih-nejtralizatorah/, свободный.

34. Певнев, Н. Г. Соответствие методики государственных испытаний трехкомпонентных нейтрализаторов выхлопных газов реальным условиям эксплуатации / Н. Г. Певнев, А. В. Залознов // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. - 2016. - № 4 (50). - С. 70-77.

35. Каталитический конвектер [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/80, свободный.

36. Таранушич, В. А. Технология катализаторов / В. А. Таранушич. -Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012. - 99 с.

37. Каталитическая очистка газовых выбросов: методы и технологии [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://eet-msk.ru/posts/12, свободный.

38. Тихонов, А. Р. Каталитические нейтрализаторы отработавших газов. достоинства и недостатки / А. Р. Тихонов, Д. А. Шиповалов // Международный научно-исследовательский журнал. - 2014. - №6-1 (25). - С. 75-76.

39. Нейтрализатор отработанных газов. Устройство и принцип действия [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ustroistvo-avtomobilya.ru/sistemy-snizheniya-toksichnosti/nejtralizator-otrabotannyh-gazov/#i-4, свободный.

40. Современные технологии производства. Системы снижения токсичности отработавших газов легковых автомобилей [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://extxe.com/13897/sistemy-snizhenija-toksichnosti-otrabotavshih-gazov-legkovyh-avtomobilej/, свободный.

41. Анализ выхлопных газов двигателя и производительности каталитического конвертера [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ijera.com/papers/Vol3_issue4/AZ34313320.pdf, свободный.

42. Полынская, А. А. Нетрадиционное использование каталитических покрытий в камере сгорания с целью повышения экологической безопасности ДВС / А. А. Полынская, П. В. Литвинов, А. Л. Иванов // Техника и технология строительства. - 2017. - № 1(9). - С. 63-67.

43. Пат. 2177363 Российская Федерация, МПК51 Б0и 20/06, Б01Б 53/34, Б0и 35/04. Каталитический нейтрализатор / Рахманов Г. Ж. Рахманов Ж. Р., Баранов В. П.: заявитель на патентообладатель Рахманов Г. Ж.

- № 2000106420/04; заявл., 17.03.2000, опубл. 27.12.2001.

44. Катализатор: устройство и принцип работы [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://katalizatorppr.ru/blog-o-katalizatorakh/katalizator-ustrojstvo-i-printsip-raboty, свободный.

45. Каталитический нейтрализатор - как работает, конструкция, типы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://elm3.ru/wiki/kataliticheskij-nejtralizator, свободный.

46. Исмагилов, З. Р. Катализаторы и процессы каталитического горения / З. Р. Исмагилов, М. А. Керженцев // Химическая промышленность. - 1996. - Том 73. - № 3. - С.197-203.

47. Павлов, Г. И. Металлический каталитический блок для глушителя-нейтрализатора автомобиля «КАМАЗ» / Г. И. Павлов, А. Е. Калиновский, С.Ю. Гармонов, А.Е. Егоров, А.И. Ахметшина // Вестник казанского технологического университета. - 2013. - Том 16. - № 15. - С. 123-125.

48. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://lektsia.com/6xeb14.html, свободный.

49. Лисовал, А. А. Испытания нейтрализатора на эффективность очистки отработавших газов двигателя с принудительным зажиганием / А. А. Лисовал, И. В. Парсаданов, Ю. А. Свистун, И.В. Рыкова // Двигатели внутреннего сгорания.

- 2015. - №1. - С. 44-48.

50. Каминский, В. Н. Применение накопительных нейтрализаторов оксидов азота для снижения токсичности отработавших газов тракторных дизелей / В. Н. Каминский, А. В. Лоик , А. Ю. Титченко, Е. А. Аликин, Г. Г. Надарейшвили, П. А. Щеглов // Тракторы и сельхозмашины. - 2016. - №11. - С. 3-7.

51. Пат. 2402684 Российская Федерация, МПК51 Г0Ш 3/22. Способ регенерации каталитических нейтрализаторов-накопителей оксидов азота / Гёбель У., Бремм Ш., Томаник К. М., Мюллер В., Кройцер Т.: заявитель на патентообладатель Умикоре Аг Унд Ко. Кг. - № 2008105358/06; заявл., 22.06.2006, опубл. 27.08.2009.

52. Жегалин, О. И. Снижение токсичности автомобильных двигателей / О. И. Жегалин, П. Д. Лупачев. - М.: Транспорт, 1985. - 120 с.

53. Гапонов, В. Л. Современные методы снижения вредных выбросов с отработавшими газами автотранспорта / В. Л. Гапонов, Л. Х. Бадалян, В. Н. Курдюков, Т. Н. Куренкова // Технологии техносферной безопасности. - 2008.

- № 6(22). - С. 8.

54. Аистов, И. П. Защита атмосферы от промышленных выбросов / И. П. Аистов. - Омск: ОмГТУ, 2009. - 92 с.

55. Кушнир, В.Г. Снижение токсичности отработавших газов путем применения термического нейтрализатора / В.Г. Кушнир, Д.А. Дмитренко // SCIENCES OF EUROPE. - 2018. - № 24-2(24). - С. 55-58.

56. Криворученко, Д. С. "Бифункциональный" Катализатор Mn-Ce/Beta селективного каталитического восстановления оксидов азота аммиаком / Д. С. Криворученко, Н. С. Телегина, Д. А. Бокарев, А. Ю. Стахеев // Кинетика и катализ. - 2015. - Том 56. - № 6. - С. 729.

57. Матарева, А. И. Селективное каталитическое восстановление NOX аммиаком на композитных катализаторах: автореф. дис. ... канд. хим. наук: 02.00.15 / Матырева Алина Игоревна. - М., 2017. - 26 с.

58. Выхлопные газы автомобилей [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://studbooks.net/1015599/ekologiya/metody_snizheniya_toksichnosti_otrabotavshi h_gazov, свободный.

59. Эффективность использования альтернативных топлив автотранспортом [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://studopedia.su/10_105738_effektivnost-ispolzovaniya-alternativnih-topliv-avtotransportom.html, свободный.

60. Оценка эффективности использования альтернативных видов топлива [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://topuch.ru/ocenka-effektivnosti-ispolezovaniya-aleternativnih-vidov-topli/index.html#pages, свободный.

61. Дударева, Н. Ю. Топливо и смазочные материалы для двигателей внутреннего сгорания / Н. Ю. Дударева. - Уфа: Уфимский ГАТУ, 2007. - 203 с.

62. Спирт в качестве топлива: автомобили алкоголики [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.autocentre.ua/opyt/tehnologii/spirt-v-kachestve-topliva-avtomobilialkogoliki-289906.html, свободный.

63. Биоэтанол для ДВС [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://yandex.ru/turbo/s/proteh.org/articles/31102017-biojetanol-dlja-dvigatelja-vnutrennego/, свободный.

64. Водород в автомобилях: Опасности и сложности использования [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.1gai.ru/publ/516203-vodorod-v-avtomobilyah-opasnosti-i-slozhnosti-ispolzovaniya.html, свободный.

65. Zeng, W. A novel approach to reduce hydrocarbon emissions from the HCCI engine / W. Zeng, M Xie // Chemical engineering journal. - 2008. - Vol. 139. - № 2. - Р.380-389.

66. Konstantinov, E. A. A u nas v mashine gaz... / E. A. Konstantinov // Nauka i zhizn. - 2014. - № 4. - Р. 106-113.

67. Dec, J. E. Advanced compression-ignition engines - understanding the in-cylinder processes / J. E. Dec // Proceeds of the combustion institute. - 2009. - № 32. Р. 2727-2742.

68. Парсаданов, И. В. Оценка влияния гальваноплазменного покрытия поршня автотракторного дизеля на выбросы твердых частиц с отработавшими газами / И. В. Парсаданов, А. П. Поливянчук // Двигатели внутреннего сгорания. -2009. - №2. - С. 97-100.

69. Ponnusamy, P. Experimental Investigation on Performance, Emission and Combustion Analysis of a Four Stroke SI Engine with Various Catalytic Coatings / P. Ponnusamy, R. Subramanian, N. Nedunchezhian // European Journal of Scientific Research. - 2011. - Vol. 63. - № 2. - Р. 182-191.

70. Пат. 2301348 Российская Федерация, МПК F02B 51/02. Способ уменьшения вредных выбросов с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания / Дураджи В. Н., Дураджи Ю.В.: заявитель на патентообладатель Дураджи В. Н., Дураджи Ю.В. - № 2005134884/06; заяв. 11.11.2005; опубл. 20.06.2007.

71. Пат. 2069774 Российская Федерация, МПК F02M 27/02. Способ работы ДВС и каталитическая композиция для его осуществления / Мельников В. Д., Вершинин В. И.: заявитель на патентообладатель Мельников В. Д., Гороховский В. А., Родионов В. И. - 94007355/06; завл. 04.03.1994; опубл. 27.11.1996.

72. Osipov, A. R. Catalytic coatings for improving the environmental safety of internal combustion engines / A. R. Osipov, V. A. Mukhin, V. A. Borisov, S. S. Sigaeva, E. A. Anoshkina, V. L. Temerev, P. G. Tsyrul'nikov, G. I. Suprunov, A. L. Ivanov, A. A. Hohlov // Procedia Engineering. - 2016. - № 152. - Р. 59-66.

73. Осипов, А.Р. Каталитические покрытия для повышения экологической безопасности двигателей внутреннего сгорания / А. Р. Осипов, В. А. Борисов, Е. А. Аношкина, В. А. Мухин, В. Л. Темерев // Всероссийский форум научной молодежи «Богатство России». Изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Москва, 2018. - С. 171-173.

74. Казанцев, И. А. Влияние теплофизических свойств поршней на эксплуатационные характеристики двигателей внутреннего сгорания / А. И. Казанцев, В. И. Бычков, А. И. Казанцев //. Технические науки. Машиностроение и машиноведение. - 2018. - № 2 (46). - С. 107-118.

75. Валеев, В.С. Повышение стойкости поршней двухтактных двигателей к прогару посредством нанесения МДО покрытий / В. С. Валеев, Р. Д. Еникеев, Р. Ю. Сакулин // Двигателестроение. - 2020. - №2. С. 30-34.

76. Хохлов, А. Л. Влияние теплоизолирующего покрытия на рабочих поверхностях головки поршня на экологические показатели бензинового двигателя / А. Л. Хохлов, А. А. Глущенко, Д. М. Марьин, А. Г. Башаев // Аграрная наука - сельскому хозяйству. - 2017. - Том 3. - С. 53-55.

77. Спектор, Ю. Е. Технология нанесения и свойства покрытий / Ю. Е. Спектор, Р. Г. Еромасов. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2008. - 271 с.

78. Афанасов, И. М. Высокотемпературные керамические волокна / И. М. Афанасов, Б. И. Лазоряк. - Москва: МГУ. - 2010. - 51 с.

79. Кожанов, В. Н. Влияние отключения некоторых цилиндров дизельного двигателях на токсичность отработавших газов / В. Н. Кожанов, Н. А. Ваганов, А. А. Петелин, Т. Г. Бехтольд // Транспорт. - 2014. - №1(119). - С. 104-114.

80. Рогожников В.Н. Разработка способа формирования слоя А12О3 на структурированном металлическом носителе для каталитических применений:

автореф. дис. ... канд. хим. наук: 02.00.15 / Рогожников Владимир Николаевич. -Новосибирск., 2017. - 23 с.

81. Звонов, В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В.А. Звонов. - 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, - 1981. - 155 с.

82. Кульчицкий, А. Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей / А. Р. Кульчицкий. - Владимир: ВГУ, 2000. - 253 с.

83. Самойлов, Н. П. Токсичность автотракторных двигателей и способы её снижения / Н. П. Самойлов, Е. И. Игонин, О. А. Кашеваров, Д. Н. Самойлов.

- Казань: Казанский ун-т, 1997. - 169 с.

84. Смайлис, В. И. Малотоксичные дизели: особенности конструкции, рабочего процесса и испытаний / В.И. Смайлис. - Л.: Машиностроение, 1972.

- 128 с.

85. Варнатц, Ю. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Ю. Варнатц, У. Маас, Р. Диббл. - М.: Физматлит, 2003. - 352 с.

86. Альферович, В. В. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В. В. Альферович. - Минск: БНТУ, 2016. - 54 с.

87. Motor Vehicle Exhaust Emissions [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.volkspage. net/technik/ssp/ssp/SSP_230.pdf , свободный.

88. Лашко, В. А. Образование выбросов отработавших газов и управление процессом сгорания в поршневом двигателе / В. А. Лашко, И.Ю. Привальцев // Учебные заметки ТОГУ. - 2014. - Том 5. - № 1. - С. 324-337.

89. Льюис Б. Горение, пламя и взрывы в газах / Б. Льюис, Г. Эльбе. - 2-е изд.

- М.: Мир, 1968. - 592 с.

90. Марков, В. А. Работа дизелей на нетрадиционных топливах / В. А. Марков, А. И. Гайворонский, Л. В. Грехов, Н. А. Иващенко. - М.: Легион-Автодата, 2008. - 454 с.

91. Брозе, Д. Д. Сгорание в поршневых двигателях / Д. Д. Брозе. - М.: Машиностроение, 1969. - 248 с.

92. Wang, C. S. Effect of hydrogen addition on combustion and emissions performance of a spark-ignition gasoline engine at 800 rpm and lean conditions / C. Ji, S. Wang // Proceedings 18th world hydrogen energy conference. - 2010. - № 34 (18).

- P. 175-180.

93. Бобровский, И. Н. Взаимосвязь интенсивности горения и ширины зоны химических реакций горения и несгоревших углеводородов в отработавших газах двигателя с искровым зажиганием / И. Н. Бобровский, П. В. Ивашин,

H. А. Дурманова, М. А. Понизов, А. П. Шайкин // Международная научно-практическая конференция «Стратегическое планирование развития городов России. Памяти первого ректора ТГУ С.Ф. Жилкина». Изд. ТГУ. - Тольятти. - 2010.

- Том 2. - С. 158-165.

94. Сигал, И. Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива / И. Я. Сигал. - 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Недра, 1988. - 310 с.

95. Alik, I.A. Automobile Fuel Cars driving: Technologi and the Marketplace /

I. A. Alik, U. U. Senney, T. E. Bull - SAE Tech, 1983. - Pap.830983

96. Чигир, Н. А. Образование загрязняющих веществ в пламени / Н. А. Чигир, Р. Дж. Вейнберг, К. Т. Боумэн. Пер. с англ под ред. Ю. Ф. Дитякина.

- М.: Машиностроение, 1981. - 407 с.

97. Ведрученко, В. Р. Влияние материала поршня на процесс сгорания топлива в двигателе / В. Р. Ведрученко, А. Л. Иванов, В. А. Борисов, П. В. Литвинов // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. - 2016.

- № 5. - С. 61-68.

98. Суминов, И. В. Микродуговое оксидирование: теория, технология, оборудование / И. В. Суминов, А. В. Эпельфельд, В. Б. Людин, Б. Л. Крит, А. М. Борисов. - М.: ЭКОМЕТ, 2005. - 352 с.

99. Hu, Z. In-Cylinder Catalysts - A Novel Approach to Reduce Hydrocarbon Emissions from Spark-Ignition Engines / Z. Hu, N. Ladommatos // SAE International Fall Fuels and Lubricants Meeting and Exhibition. Sector: Automotive. USA, 1995.

100. Пат. 2439211 Российская Федерация, МПК F02F 3/12. Способ обработки поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминия, титана, и их сплавов / Казанцев И. А., Кривенков А. О., Чугунов С. Н., Хохлов А. Л., Степанов В. А., Сафаров К. У.: заявитель на патентообладатель Казанцев И. А., Кривенков А. О., Чугунов С. Н., Хохлов А. Л., Степанов В. А., Сафаров К. У.

- № 2010140537/02; заяв. 04.10.2010; опубл. 10.01.2012.

101. Современные проблемы науки и образования [Электронный ресурс].

- Режим доступа: https://science-education.ru/ru/article/view?id=16037, свободный.

102. Микродуговое оксидирование. Механизм и технология нанесения оксидированного покрытия на алюминий [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://zctc.ru/sections/microdugovoye_oxidirovaniye_mdo_1, свободный.

103. Dudareva, N. Yu. Method for determining of the coatings thermophysical properties formed by the microarc oxidation / N. Yu. Dudareva, R. F. Gallyamova, A. B. Kruglov // MATEC Web of Conferences. - 2019. - Vol. 298. - № 00074.

104. Чукин, Г. Д. Строение оксида алюминия и катализаторов гидрообессеривания. Механизмы реакций / Г. Д. Чукин. - М.: Типография Паладин, ООО «Принта», 2010. - 288 с.

105. Ivashin, P.V., Different-sized porosity and thermal conductivity of oxide layers formed by plasma-electrolytic oxidation on the AlSi12Mg silumin / P. V. Ivashin, M. M. Krishtal, A. Ya. Tverdokhlebov, A.V. Polunin, N. Yu. Dudareva, A. B. Kruglov // Frontier Materials and Technologies. - 2022. - № 4. - С. 49-69.

106. Ситдиков, В. М. Снижение токсичности отработавших газов в камере сгорания ДВС / В. М. Ситдиков, Н. Ю. Дударева, А. А. Ишемгужин, И. А. Даутов // Труды НАМИ. - 2022. - №4. - С. 83-95.

107. Ивашин, П. В. Разноразмерная пористость и теплопроводность оксидных слоев, сформированных плазменно-электролитическим оксидированием на силумине АК12Д / П. В. Ивашин, М. М. Криштал, А. Я. Твердохлебов, А. В. Полунин, Н. Ю. Дударева, А. Б. Круглов // Frontier Materials & Technologies.

- 2022. - № 4. - Р. 49-69.

108. Enderle, J.D. Introduction to Biomedical Engineering / J. D. Enderle, S. M. Blanchard, J. D. Bronzino/ San Diego: Copyright, 2005/ - 1141 р.

109. Dudareva, N.Yu. Simulation of the Exhaust Gas Neutralization Process in the Engine Combustion Chamber Using a Ceramic Coating / N. Yu. Dudareva, V. M. Sitdikov // Journal of Engineering Science and Technology Review. - 2023. № 16 (4). -Р 142 - 148.

110. Monticelli, L. Methods in molecular biology / L. Monticelli, D. P. Tieleman.

- Clifton, 2013. - 924 р.

111. Curran, J.A. Porosity in Plasma Electrolytic Oxide Coatings / J. A. Curran, T. W. Clyne // Acta Materialia. - 2006. - № 54. - 1985-1993 Р.

112. Самсонов, Г. В. Тугоплавкие покрытия / Г. В. Самсонов, А. П. Эпик.

- 2-е изд., пер. и доп. - М.: Металлургия, 1973. - 400 с.

113. Keil, F.J. Modeling of Diffusion in Zeolites / F. J. Keil, R. Krishna, M. O. Coppens // Reviews in Chemical Engineering. - 2000. - Vol. 16. - № 2. - Р. 71-197.

114. Фомкин А.А. Пористость. Большая российская энциклопедия. В 35 т. Том 21. Москва: АО «Большая Российская энциклопедия». 2013. - 767 с

115. Мирошник, З.А. Химическая кинетика. Химическое равновесие / З. А. Мирошник, С. Н. Салтыков, Г. Б. Ширяева. - Липецк: ЛГТУ, 2005. - 32 с.

116. Шароглазов, Б.А. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчёт процессов / Б. А. Шароглазов. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2005. - 403 с.

117. Пат. № 2694441 Российская Федерация, МПК51 C25D 11/06. Способ получения толстослойных теплозащитных покрытий методом микродугового оксидирования на высококремнистом алюминиевом сплаве / Дударева Н. Ю., Еникеев Р. Д., Валеев Р. С: заявитель на патентообладатель ФГБОУ ВО Уфимский ГАТУ. - заявл. № 2018135146/02 от 04.10.18, опубл. 15.07.19.

118. Sakulin, R. Yu. Application of MAO coatings in a two-stroke internal combustion engine for thermal protection against burning-through of the piston / R. Yu. Sakulin, D. R. Rezvanov, and T. V. Rezyapov // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing. - 2020. - Vol. 709. - 022036 Р.

119. Пат. № 187636 Российская Федерация, МПК51 C25D 11/02 C25D 19/00. Устройство для обработки днища поршня двигателя внутреннего сгорания микродуговым оксидированием / Еникеев Р. Д., Дударева Н. Ю., Кальщиков Р. В., Мусин Н. Х.: заявитель на патентообладатель ФГБОУ ВО Уфимский ГАТУ.

- заявл. № 2018127073 от 23.07.18, опубл. 14.03.19.

120. Дударева, Н.Ю. Влияние режимов процесса микродугового оксидирования на структуру формируемых покрытий / Н. Ю. Дударева, В. М. Ситдиков, А. В. Коломейченко, В. Н. Логачев // Мир транспорта и технологических машин. - 2023. - №3-5(82). - С. 3-8.

121. Dudareva, N.Yu. Corrosion resistance of mao coatings on AL-SI alloys / N. Yu. Dudareva, E. I. Ustimova, R. F. Gallyamova // Solid State Phenomena.

- 2020. - Vol. 299. - P. 749-754.

122. Lundstedt, T. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems / T. Lundstedt, E. Seifert, L. Abramo, B. Thelin, A. Nystrom, J. Pettersen, R. Bergman, 1998. - Vol. 42. - № 1-2. - 40 P.

123. Freund, R.J. Statistical Methods / R. J. Freund, W. J. Wilson, D. L. Mohr, 2010. Academic Press, Elsevier Inc. - 796 Р.

124. Dudareva, N.Yu. Porosity of Oxide Ceramic Coatings Formed by Micro-Arc Oxidation on High-Silicon Aluminum Alloys / N. Yu. Dudareva, A. V. Kolomeichenkob, V. B. Deev, and V. M. Sitdikov // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. - 2022. - Vol. 16, - № 6. - Р 1308-1314.

125. Универсальный толщиномер покрытий ТТ-210 для измерения на магнитном и немагнитном основании. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://lanfor.ru/files/0009967.pdf, свободный.

126. ImageJ (1997) Research Services Branch of the National Institute of Mental Health [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://imagej.nih.gov/ij/, свободный.

127. Дударева, Н.Ю. Коррозионная стойкость оксидных слоев, формируемых методом микродугового оксидирования на заэвтектическом алюминиевом сплаве / Н. Ю. Дударева, А. В. Коломейченко, В. Б. Деев, В. М Ситдиков // Цветные металлы. - 2023. - №10. - С 56-61.

128. Абдрахимова, Й. Р. Биоимиджинг клеток: введение в анализ изображений с помощью ImageJ (Часть 1) / Й. Р. Абдрахимова, Ф. А. Абдрахимов.

- Казань: Альянс, 2019. - 25 с.

129. Запсис, К.В. Наночастицы оксидов металлов в полиэтиленовой матрице / К. В. Запсис, И. Д. Кособудский, Н. М. Ушаков, М. Н. Журавлева // Вестник СГТУ.

- 2004. - № 2 (3). - С. 8-14.

130. Технические характеристики RM VECTOR 551i [Электронный ресурс].

- Режим доступа: https://go-rm.ru/rm_vector_551i_data.html, свободный.

131. Руководство по эксплуатации двигатели УМЗ-341 и УМЗ-341Э. УМПО. г. Уфа. - 39 С.

132. Автомобильный 5-ти компонентный газоанализатор «Инфракар 5М-2.01» [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

https: //www.infracar. ru/products/group24/product24 .htm, свободный.

133. INNOVATE 3837 LM-2 (Basic Kit) Альфометр LambdaMeter [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://eksacom.ru/shop/innovate_3837_lm-2_basic_kit_al%60fometr_lambdameter?r=1670557835, свободный.

134. Курепин, В. В. Обработка экспериментальных данных / В. В. Курепин, И. В. Баранов. - сетод. указания. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. - 57 с.

135. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. Издание 2-е. - М.: «Наука», 1976. - 278 с.

136. Гланц, С. Медико-биологическая статистика / С. Гланц. Перевод с англ. Ю. А. Данилова. - М.: «Практика», 1998. - 459 с.

137. Ситдиков, В.М. Наноструктурное покрытие для снижения токсичности двигателей внутреннего сгорания / В. М. Ситдиков, Н. Ю. Дударева // Наноиндустрия. - 2024. - Том. 17. - №. 5. - С. 311-319.

138. Dudareva, N.Yu. Simulation of the Exhaust Gas Neutralization Process in the Engine Combustion Chamber Using a Ceramic Coating / N. Yu. Dudareva,

V. M. Sitdikov // Journal of Engineering Science and Technology Review. - 2022. -Vol. 16. - No. 4. - Р. 142-148.

139. Dudareva, N. Yu. Reducing the Toxicity of the Exhaust Gases from the Internal Combustion Engine by Using a Ceramic Coating on Components of the Combustion Chamber / N. Yu. Dudareva, V. M. Sitdikov // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2023. - Vol. 58, - No. 2, - Р. 1-7.

140. Dudareva, N. Yu. Investigation of the thermophysical properties of the oxide layer formed by microarc oxidation on Al-Si alloy / N. Yu. Dudareva, P. V. Ivashin, A. B. Kruglov // MATEC Web of Conferences. - 2017. - 129, 02015.

141. Musin, N. Investigation of the effect of the coating formed by microarc oxidation on the piston top on the thermal state of the internal combustion engine parts / N. Musin, N. Dudareva // MATEC Web of Conferences. - 2018. - № 224. P. 03008.

142. Scheider, W-H. Pistons and engine testing / W-H Scheider, H. K. Junker. - 2- е изд. Stuttgart: MAHLE GmbH, 2016. - 305 р.

Приложение А

(обязательное)

Методика проведения эксперимента

Цель эксперимента: определить влияния наноструктурного МДО-покрьггия на токсичность ОГ и эксплуатационные показатели двигателя

Задачи:

1. Собрать экспериментальную установку на базе моторного стенда, установить двигатель и необходимое измерительное оборудование.

2. Снять характеристики с двигателя:

- крутящий момент - Мкр;

- частота вращения коленчатого вала - п;

- температура под свечами - Тл/Тп (левый и правый цилиндр);

- температуру отработавших газов - Тог;

- расход топлива - ё;

- состав отработавших газов: СО, СпНт, СО2, ИОх.

3. Проанализировать результаты эксперимента.

4. Составить отчет по испытаниям.

1.Экспериментальное оборудование 1.1. Двигатель внутреннего сгорания

1.1.1. Двигатель РМЗ-55П с жидкостным охлаждением, характеристики двигателя приведены в Таблице А1.

Таблица А1 - Характеристики двигателя РМЗ-55П

Рабочий объем, см3 553

Диаметр цилиндра, мм 72

Ход поршня, мм 61

Мощность, л.с при 6250 об/мин 50

Вес, кг 32

Тактность 2

Количество цилиндров 2

Тип охлаждения Жидкостное

Диапазон оборотов, об/мин 1500-7500

1.1.2. Двигатель УМЗ-341, характеристики двигателя приведены в Таблице А2. Таблица А2 - Характеристики двигателя УМЗ-341.

Рабочий объем, см3 333,3

Диаметр цилиндра, мм 79

Ход поршня, мм 68

Мощность, л.с (кВт) 8 (5,88)

Вес, кг Не более 35

Тактность 4"

Количество цилиндров 1

Тип охлаждения Воздушное

1.2. Моторный стенд

Испытания планируются проводить с использованием вихретокового динамометра «А VI ЦупоРег/огт80», который будет давать нагрузку на двигатель. Характеристики динамометра приведены в Таблице АЗ.

Таблица A3 - Характеристики динамометра «А VL DynoPerform80»

Категория продукта Пассивный динамометр

Технологии Вихревой ток

Измерение крутящего момента Нагрузка

Мощность 80 кВт

Крутящий момент 2000 Нм

Скорость 10000 об/мин

1.3 Генератор Г-290. Напряжение - 28 В. Максимальный выпрямленный ток - 150 А. Мощность - 4200 Вт. Частота вращения вала - 2500об/мин / при токе 150А. Длина - 379 мм. Диаметр - 214 мм. Вес - 20,5 кг.

1.4 Электронный нагрузочный стенд. Нагрузка на двигатель осуществлялось стендом ELECTRONIC LOAD AF-AL 9750-120. Характеристики приведены в таблице A4.

Таблица A4 - Характеристики нагрузочного стенда «ELECTRONIC LOAD AF-AL 9750-120»

Напряжение, В 750

— погрешность, % 0,1

Ток. А 120

- погрешность, % <0,2

— стабильность при 0-100% Ли <0,1

Мощность, Вт 7200

- погрешность, % <0,5

Питание, В 90-264

Вес, кг 33

1.5. Измерительное оборудование

1.5.1 Газоанализатор. Замер токсичности планируется проводить на газоанализаторе «Инфракар 5М2.01». Характеристики приведены в Таблице А5. Таблица А5 - Характеристики газоанализаторе «Инфракар 5М2.01»

Модель 5М2.01

Диапазон измерений объемной доли СО 0-5 %

Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений СО ±0,06% (0... 1,25%)

Пределы допускаемой относительной погрешности измерений СО ±4% (1,25... 5%)

Диапазон измерений объемной доли СН 0-2000 ррт

Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений СН ±12 ррт (0...240 ррш)

Пределы допускаемой относительной погрешности измерений СН ±5% (240...2000 ррт)

Диапазон измерений объемной доли СО2 0-16 %

Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений СО2 ± 0,5 % (0-12,5 %)

Пределы допускаемой относительной погрешности измерений СО2 ± 4% (12-16 %)

Диапазон измерений объемной доли О2 0-21 %

Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений О2 . ± 0,1 % (0-3,3 %)

Пределы допускаемой относительной погрешности измерений О2 ± 4% (3,3-21 %)

Диапазон измерений объемной доли NOx 0-4000 ррт

Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений NOx ± 100 ррт (0-1000 ррт)

Пределы допускаемой относительной погрешности измерений NOx ± 10 ррт (1000-4000 ррт)

Расчет коэффициента избытка воздуха X да

Диапазон измерений коэффициента избытка воздуха X 0-2

Измерение температуры масла нет

Канал для измерения частоты вращения коленчатого вала да

Диапазоны измерения частоты вращения 0... 9000 об/мин

Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений частоты вращения ±30 об/мин (0-1200 об/мин)

Пределы допускаемой относительной погрешности измерений частоты вращения ±2.5 % (1200-9000 об/мин)

Автослив конденсата Да

Автоподстройка нуля Да

Работа с ЛТК и мотортестерами Да

Встроенный принтер с часами реального времени Нет

Предел допускаемого времени установления показаний для каналов СО, СН, СОг. 30 сек

Предел допускаемого времени установления показаний для каналов О2, N0 60 сек

Время прогрева при 20 °С - не более 30 мин

Питание газоанализатора 12/220 В

Средняя наработка на отказ 10000 ч

Срок службы 10 лет

Потребляемая мощность не более 40 Вт

Масса (НЕТТО) 8 кг

Габариты (ШхГхВ) 310 х 370 х 180 мм

1.5.2. Измеритель температуры. Для измерения температуры головки блока цилиндров будет использован прибор ТРМ200, соединенный с термопарами, расположенными под свечами. Характеристики прибора ТРМ200 приведены в Таблице А6. Таблица А6 - Характеристики прибора ТРМ200

Наименование Значение

Диапазон переменного напряжения питания для всех типов корпусов: - напряжение - частота 90-245 В 47-63 Гц

Потребляемая мощность не более 6 ВА

Количество каналов 2

Время опроса входа не более 1 с

Предел основной приведенной погрешности при измерении: - термометрами сопротивления - для остальных видов сигналов ± 0,25 % ± 0,5 %

Входное сопротивление прибора при подключении источника унифицированного сигнала: - тока (при подключении внешнего прецизионного резистора) - напряжения 100 Ом ±0,1 % не менее 100 кОм

Характеристики измерительных датчиков термопара ТВР (А-1) термопара ТВР (А-2) термопара ТВР (А-3) термопара ТПР (В) термопара ТЖК (I) термопара ТХА (К) термопара ТХК (Ь) термопара ТНН (И) термопара ТПП (Я) термопара ТПП (Б) термопара ТМК (Т) 0...+2500 °С 0...+1800 °С ' 0...+1800 °С +200...+1800 °С -200...+1200 °С -200...+1300 °С -200...+800 °С -200...+1300 °С 0...+1750 °С 0...+1750 °С -200...+400 °С

Для измерения температуры отработавших газов будет использоваться прибор АКТАКОМ АТТ-2006. Характеристики прибора АКТАКОМ А ТТ-2006 приведены в Таблице А7. Таблица А7 - Характеристики прибора АКТАКОМ А ТТ-2006

Диапазон измерений К-тип:-199.9... 1370 °С Гтип:-199.9...1200 °С РМ00: -199.9...850 °С

Термопары К,.! типа

Термосопротивления Платинового типа РТ-100 ОМ

Разрешение 0.1 °С/1 °С в зависимости от диапазона

Каналы Т1.Т2, ТЗ, Т4, Т1-Т2

Погрешность измерения КЛ-тип: ±(0,5% + 1 °С) РМ00 Ом - тип: ±(0,4% + 1 °С)

Единицы измерения °СиТ

Время измерения 1 сек

1.5.3. Расходомер топлива. Расход топлива будет измеряться весовым способом с помощью измерителя расхода топлива AVL Fuel Balance. AVL Fuel Balance работает следующим образом: система подает топливо в двигатель из мерной емкости с постоянным взвешиванием. Сосуд спроектирован так, чтобы имитировать свойства топливного бака, чтобы он не мешал точному измерению расхода топлива.

Высокочувствительный емкостной датчик перемещения, соединенный с сосудом балкой, калибруется специальным калибровочным грузом. Этот процесс обеспечивает точность в соответствии со стандартом IS09001 и выполняется автоматически всего за несколько минут.

Использование автоматической калибровки таким образом позволяет избежать ошибок калибровки, связанных с человеческим фактором, и сохранить точность.

1.5.4. Измеритель коэффициента избытка воздуха. Широкополосный лямбда-зонд прибора Innovate LM-2 позволяет измерить численное значение соотношения Воздух/Топливо (Air Fuel Ratio - AFR) или численное значение коэффициента избытка воздуха а путём измерения уровня содержания кислорода в отработавших газах.

2. Методика испытаний

Методика проведения испытаний было предложено на основании ГОСТ 14846-2020.

Двигатель PM3-551L

2.1. Общий план проведения испытаний

2.1.1. Будет проводиться 2 серии испытаний:

а) первая серия - штатные поршни (2 шт.).

б) вторая серия - поршни с МДО-покрытием толщиной ~120 мкм (2 шт.). Покрытие будет наносится на днище поршня.

2.1.2. Планируемые частоты вращения коленчатого вала: 2000, 3000, 4000, 5000, 6000 мин"1. Процент открытия дросселя: 100, 75, 50 и 25 %.

2.2. Этапы проведения испытаний Эксперимент будет состоять из следующих этапов:

1. Подготовка двигателя и моторного стенда к испытаниям. Установка измерительного оборудования: газоанализатора и термопар и др.

2. Испытание двигателя с замером характеристик работы двигателя и токсичности компонентов ОГ на заводских поршнях без покрытия.

3. Установка поршней, днище которых покрыты МДО.

4. Испытание двигателя с замером характеристик работы двигателя и токсичности компонентов ОГ на поршнях с МДО-покрытием.

- . 5. Анализ полученных результатов, с выводами о влиянии покрытия на компоненты ОГ.

2.2.1 Подготовка двигателя, моторного стенда и измерительного оборудования

2.2.1.1. Двигатель РМЗ-55Н необходимо установить на станине, которая может регулируется в трех направлениях. Двигатель необходимо прикрепить к станине с помощью болтов.

2.2.1.2. Двигатель с помощью муфты необходимо соединить с вихретоковым динамометром «AVL DynoPerform80».

2.2.1.3. Зонд для измерения токсичности ОГ необходимо установить через выхлопную трубу на глубину 30 см.

2.2.1.4. Две термопары прибора ТРМ200 для замера температуры головки блока цилиндров устанавливаются под свечи зажигания, вместо свечных колец.

2.2.1.5. Зонд для замера температуры ОГ прибора АКТАКОМ АТТ-2006 врезается в трубу ОГ на расстоянии около 500 мм от цилиндра двигателя, на глубину 10 мм.

2.2.1.6. Широкополосный лямбда зонд для измерения коэффициента избытка воздуха прибора Innovate LM-2 устанавливался в трубу ОГ до резонатора.

2.2.2. Снятие характеристик работы двигателя и замер токсичности компонентов ОГ на заводских поршнях без покрытия

2.2.2.1 Запускаем двигатель.

2.2.2.2 Выставляем частоту вращения коленчатого вала на 1500 мин"1 для прогрева двигателя.

2.2.2.3 Включаем газоанализатор, прогреваем и откалибровываем в соответствии с инструкцией предприятия-изготовителя прибора.

2.2.2.4 Прогреваем двигатель до температуры ОЖ <50°С, при этом продолжительность работы прогретого двигателя на холостом ходу при минимальной частоте вращения до начала измерений не должна превышать 5 мин.

2.2.2.5. После прогрева двигателя со встроенной диагностикой увеличиваем частоту вращения коленчатого вала двигателя до 6000 мин"1 и выдерживаем ее не менее 15 с. Дроссельную заслонку устанавливаем в положение открытия - 100 %.

2.2.2.6 После стабилизации показаний на каждом положении дроссельной заслонки измеряют содержание СО, СО2, NOx, СН, Ог.

Отсчет показаний газоанализаторов проводим на каждом режиме трижды с интервалом не менее 30 с, причем первый отсчет выполняют не ранее чем через 2 мин после установления температурного состояния двигателя на режиме испытаний. Результаты трех последовательных отсчетов не должны различаться более чем на ±3,5%. За результат измерений принимают среднее арифметическое значение трех отсчетов. При наличии регистрирующих приборов за результат измерений принимают среднее значение непрерывной записи, проведенной в течение 1 мин, если за время записи отклонения от начального значения составляют не более ±3,5%.

2.2.2.7. Одновременно с замером токсичность регистрируются значения показателей двигателя, необходимые для определения удельных параметров:

- крутящий момент - Me;

- мощность - Ne;

- весовой расход топлива - ge;

- коэффициент избытка воздуха - а.

2.2.2.8. Последовательно снижаем частоту вращения коленчатого вала в соответствии с программой (см. п. 2.1.2), определяя токсичность ОГ (см. п. 2.2.2.6.) и показатели двигателя (см. п. 2.2.2.7).

2.2.2.8. Дроссельную заслонку устанавливаем в положение открытия - 75%.

2.2.2.9. Повторяем замеры токсичности по п. 2.2.2.6. и по п. 2.2.2.7.

2.2.2.10. Дроссельную заслонку устанавливаем в положение открытия - 50%.

2.2.2.11. Повторяем замеры токсичности по п. 2.2.2.6. и по п. 2.2.2.7.

2.2.2.12. Дроссельную заслонку устанавливаем в положение открытия - 25%.

2.2.2.13. Повторяем замеры токсичности по п. 2.2.2.6. и по п. 2.2.2.7.

2.2.2.14. Дроссельную заслонку устанавливаем в положение открытия - 10%.

, 2.2.2.15. Повторяем замеры токсичности по п. 2.2.2.6. и по п. 2.2.2.7.

2.2.2.16. Все замеры токсичности ОГ и характеристик двигателя необходимо записать в протокол (Приложение Б).

2.2.3. Снятие характеристик работы двигателя и замер токсичности компонентов ОГ на поршнях с МДО-покрытием.

2.2.3.1. Собрать двигатель с поршнями с МДО-покрытием.

2.2.3.2. Подготовить двигатель, моторный стенд и измерительное оборудование по п. 2.2.1.

2.2.3.3. Провести измерения токсичности ОГ и характеристик двигателя по п. 2.2.2. 2.3. Правила проведения испытаний (по ГОСТ 14846-2020)

2.3.1. Испытания рекомендуется проводить при стандартных атмосферных условиях: температура воздуха на входе в двигатель Та = 298 К (25°С) и атмосферное давление сухого воздуха р3 = 99 кПа. Допустимые диапазоны указанных параметров: 283 К < Та <313 (10°С < Та < 40°С), 80 кПа < р3 < 110 кПа.

2.3.2. Необходимо вычислить коэффициент атмосферных условий по формуле:

(А,)

Для того, чтобы испытания были признаны достоверными, значения параметра 1"а должны находиться в диапазоне от 0,96 до 1,06.

2.3.3. Температуру охлаждающей жидкости на выходе из двигателя поддерживают на уровне, указанном изготовителем. В случае отсутствия данных по температуре охлаждающей жидкости ее поддерживают в пределах < 323 К (< 50°С).

2.3.4. Характеристики смазочных материалов, топлива и ОЖ используемых при проведении испытаний, должны быть зафиксированы и представлены в протоколах испытаний (Приложение Б). К протоколу испытаний двигателя должен быть приложен паспорт на топливо (получить на АЗС при заправке топлива) или протокол определения физико-химических свойств топлива.

Характеристики топлива, применяемого при испытаниях, должны быть определены, зарегистрированы и указаны в протоколах испытаний.

2.3.5. Значения крутящего момента, частоты вращения и расхода топлива определяют одновременно. В протокол вносят среднее арифметическое значение результатов двух последовательных измерений, которые не должны отличаться более чем на 2%.

2.3.6. В выпускной системе не должно быть отверстий, которые могут вызывать разбавление ОГ двигателя. Для подвода ОГ от выпускной трубы двигателя к газоанализатору необходимо использовать пробоотборный зонд, исключающий утечки и подсос воздуха.

2.3.7. Перед началом измерений газоанализатор прогревают и калибруют в соответствии с инструкцией предприятия-изготовителя прибора.

Двигатель УМЗ-341.

3.1. Общий план проведения испытаний 3.1.1. Будет проводиться 2 серии испытаний:

а) первая серия - штатные поршни (1 шт.).

б) вторая серия - поршни с МДО-покрытием толщиной -120 мкм (1 шт.). Покрытие будет наносится на днище поршня.

3.1.2. Планируемые частоты вращения коленчатого вала: 3200, 2700, 2400 мин"1. На скоростном режиме 3200 мин"1 нагрузка будет 1500, 1000 и 500 Вт; на режиме 2700 мин"1 - 1000 и 500 Вт; на режиме 2400 мин"1 - 500 Вт.

3.2. Этапы проведения испытаний Эксперимент будет состоять из следующих этапов:

1. Подготовка двигателя и моторного стенда к испытаниям. Установка измерительного

оборудования: газоанализатора и термопар и др.

2. Испытание двигателя с замером характеристик работы двигателя и токсичности компонентов ОГ на заводских поршнях без покрытия.

3. Установка поршней, днище которых покрыты МДО.

4. Испытание двигателя с замером характеристик работы двигателя и токсичности компонентов ОГ на поршнях с МДО-покрытием.

5. Анализ полученных результатов, с выводами о влиянии покрытия на компоненты ОГ.

3.2.1 Подготовка двигателя, моторного стенда и измерительного оборудования

3.2.1.1. Двигатель УМЭ-341 необходимо установить на станине. Двигатель необходимо прикрепить к станине с помощью болтов.

3.2.1.2. Двигатель с помощью ременной передачи необходимо соединить к генератору Г-290.

3.2.1.3. Зонд для измерения токсичности ОГ необходимо установить через трубу после резонатора на глубину 15 см.

3.2.1.4. Термопара прибора ТРМ200 для замера температуры головки блока цилиндров устанавливается под свечу зажигания, вместо свечных колец.

3.2.1.5. Зонд для замера температуры ОГ прибора АКТАКОМАТТ-2006 врезается в трубу ОГ после резонатора на расстоянии около 250 мм от цилиндра двигателя, на глубину 10 мм.

3.2.1.6. Широкополосный лямбда зонд для измерения коэффициента избытка воздуха прибора Innovate LM-2 устанавливался в трубу ОГ после резонатора.

3.2.2. Снятие характеристик работы двигателя и замер токсичности компонентов ОГ на заводских поршнях без покрытия

3.2.2.1 Запускаем двигатель.

3.2.2.2 Выставляем частоту вращения коленчатого вала на 2600 мин"1 для прогрева двигателя.

3.2.2.3 Включаем газоанализатор, прогреваем и откалибровываем в соответствии с инструкцией предприятия-изготовителя прибора.

3.2.2.4 Прогреваем двигатель при этом продолжительность работы прогретого двигателя на холостом ходу при минимальной частоте вращения до начала измерений не должна превышать 5 мин.

3.2.2.5. После прогрева двигателя увеличиваем частоту вращения коленчатого вала двигателя до 3200 мин"1 и выдерживаем ее не менее 15 с. Нагрузку устанавливаем на 1500 Вт.

3.2.2.6 После стабилизации показаний измеряем содержание СО, СО2, NOx, СН, Ог.

Отсчет показаний газоанализаторов проводим на каждом режиме трижды с интервалом не менее 30 с, причем первый отсчет выполняют не ранее чем через 2 мин после установления температурного состояния двигателя на режиме испытаний. Результаты трех последовательных отсчетов не должны различаться более чем на±3,5%. За результат измерений принимают среднее арифметическое значение трех отсчетов. При наличии регистрирующих приборов за результат измерений принимают среднее значение непрерывной записи, проведенной в течение 1 мин, если за время записи отклонения от начального значения составляют не более ±3,5%.

3.2.2.7. Одновременно с замером токсичность регистрируются значения показателей двигателя, необходимые для определения удельн.ых параметров:

- весовой расход топлива - ge;

- коэффициент избытка воздуха - а.

3.2.2.8. Последовательно снижаем нагрузку в соответствии с программой (см. п. 3.1.2), определяя токсичность ОГ (см. п. 3.2.2.6.) и показатели двигателя (см. п. 3.2.2.7).

3.2.2.9. Снижаем частоту вращения коленчатого вала двигателя до 2700 мин"1. Нагрузку устанавливаем на 1000 Вт.

3.2.2.10. Повторяем замеры токсичности по п. 3.2.2.6. и по п. 3.2.2.7.

3.2.2.11. Последовательно снижаем нагрузку в соответствии с программой (см. п. 3.1.2), определяя токсичность ОГ (см. п. 3.2.2.6.) и показатели двигателя (см. п. 3.2.2.7).

3.2.2.12. Снижаем частоту вращения коленчатого вала двигателя до 2400 мин"1. Нагрузку устанавливаем на 500 Вт.

3.2.2.10. Повторяем замеры токсичности по п. 3.2.2.6. и по п. 3.2.2.7.

3.2.2.11. Все замеры токсичности ОГ и характеристик двигателя необходимо записать в протокол (Приложение В).

3.2.3. Снятие характеристик работы двигателя и замер токсичности компонентов ОГ на поршнях с МДО-покрытием.

3.2.3.1. Собрать двигатель с поршнем с МДО-покрытием.

_ 3.2.3.2. Подготовить двигатель, моторный стенд и измерительное оборудование по п. 3.2.1.

3.2.3.3. Провести измерения токсичности ОГ и характеристик двигателя по п. 3.2.2.

3.3. Правила проведения испытаний (по ГОСТ 14846-2020)

3.3.1. Испытания рекомендуется проводить при стандартных атмосферных условиях: температура воздуха на входе в двигатель Та = 298 К (25°С) и атмосферное давление сухого воздуха рх = 99 кПа. Допустимые диапазоны указанных параметров: 283 К < Та < 313 (10°С < Та < 40°С), 80 кПа < р5 < 110 кПа.

3.3.2. Необходимо вычислить коэффициент атмосферных условий fa по формуле:

Для того, чтобы испытания были признаны достоверными, значения параметра Га должны находиться в диапазоне от 0,96 до 1,06.

3.3.3. Характеристики смазочных материалов и топлива используемых при проведении испытаний, должны быть зафиксированы и представлены в протоколах испытаний (Приложение В). К протоколу испытаний двигателя должен быть приложен паспорт на топливо (получить на АЗС при заправке топлива) или протокол определения физико-химических свойств топлива.