CC BY
6ФТОРОПЛАСТОВЫЕ ПОКРЫТИЯ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДВС
А.Н. Клишин, А. Г. Кесарийский
Введение
За последние десятилетия двигатели внутреннего сгорания в основной своей массе обрели достаточно стабильный конструктивный облик. Дальнейшее их совершенствование направлено по пути активного и пассивного информационного насыщения деталей и систем ДВС. Оптимизация узлов, сборок, деталей на основе расчетно-эксперимен-тальных исследований с применением математического моделирования и интегральных методов анализа напряженно-деформированного состояния позволяют реализовать конструкции с высоким уровнем весового совершенства и надежности. Использование микропроцессорных систем в управлении работой двигателя стало нормой современной конструкции. Такой подход обеспечивает неуклонный рост эксплуатационных характеристик ДВС.
В то же время существенным ресурсом повышения потребительских качеств двигателей внутреннего сгорания является их совершенствование на стадии эксплуатации. Это может быть достигнуто не только путем дорогостоящей замены морально устаревших деталей и систем ДВС, но и сравнительно простым и доступным изменением условий работы деталей и узлов традиционной конструкции. Такие изменения могут быть реализованы, например, применением новых технологий сборки деталей, либо созданием специальных покрытий на подверженных активному износу поверхностях деталей. Последнее особенно актуально в условиях использования альтернативных топлив и топ-лив с кислородосодержащими добавками.
Проблемы применения добавок содержащих кислород
Кислородосодержащие топлива и кисло-родосодержащие добавки к традиционным углеводородным топливам обладают целым рядом достоинств обеспечивающих повышение экологических характеристик двигателя. Эта тема освещается не только в специальной литературе, но активно обсуждается и в популярных общественных изданиях [1]. Учитывая тенденции расширения применения в энергетике возобновляемых источников энергии, можно предположить, что доля ки-
слородосодержащих добавок к топливу будет постоянно увеличиваться. Более 20 лет в США ведутся работы по использованию биоэтанола. Значительный опыт использования двигателей работающих на топливе с добавками этилового спирта накоплен в Бразилии и других странах. Однако эксплуатация двигателей на топливах со значительным процентом кислородосодержащих добавок показала, что наряду с неоспоримыми достоинствами применение таких компонентов сопряжено с уменьшением ресурса ряда элементов двигателя. Особенно эта проблема актуальна для прецизионных плунжерных пар топливной аппаратуры, подвергающихся агрессивному воздействию кислорода вводимого в состав топлива с кислородосодержащими добавками. Решение этой проблемы путем применения агрегатов, выполненных из специальных материалов приводит к столь значительным затратам на модернизацию ДВС, что в ряде случаев становится экономически неоправданной дальнейшая эксплуатация таких двигателей. Особенно актуальна эта проблема для стран, испытывающих дефицит углеводородных топлив и эксплуатирующих (в силу экономических причин) двигатели, разработанные и изготовленные более 10 -15 лет назад.
Фторопластовые покрытия деталей
В технике уже давно широко используется политетрафторэтилен - термостойкий термопласт, обладающий высокой химической стойкостью и антифрикционными свойствами. Этот материал применяется для изготовления подшипников, уплотнений, антикоррозионных покрытий, сухих смазок. В дви-гателестроении фторопласт успешно используется в качестве добавок-суспензий, которые прибавляются к моторным маслам для обеспечения высококачественной смазки подвижных соединений ДВС. В Англии, например, под торговой маркой SLIDER производится суспензия, которая содержит частицы PTFE (фторопласт-4 или Poly Tetra Fluorine Ethylene - PTFE, "Teflon") размером от 1,0 до 5,0 мкм.
Высокая химическая инертность фторопласта и прекрасные трибологические характеристики поверхностей покрытых фторопла-
А.Н. КЛИШИН, А.Г. КЕСАРИЙСКИЙ
стом позволили предположить, что его применение в прецизионных кинематических парах может быть чрезвычайно эффективным. В то же время оказалось, что существует проблема формирования фторопластовых покрытий для таких деталей ДВС, если применить традиционные технологии или использовать фторопластовые суспензии, например, SLIDER, с размером частиц PTFE более 1,0 мкм. Прежде всего это объясняется тем, что при нагревании фторопласта-4 свыше 327°С происходит сублимация без образования промежуточной жидкой фазы, а применение пленочных покрытий в силу высокой инертности фторопласта-4 не обеспечивает их надежной адгезионной связи с поверхностью детали. Такие покрытия легко повреждаются и малоэффективны для использования в подвижных кинематических парах, например, деталях плунжеров, применяемых в топливной аппаратуре ДВС.
Малым частным предприятием "Clean-service" были инициированы работы по исследованию процессов нанесения фторопластовых покрытий на различные детали ДВС. На основании проведенных исследований было установлено, в отличие от мелкодисперсного фторопласта-4 с размерами частиц от 1,0 до 5,0 мкм, применяемого в моторных маслах, фторопласт с меньшими размерами частиц не только обеспечивает снижение трения, но и позволяет формировать надежные покрытия. Разработанный ультрадисперсный полимер SUPERLINE, фторопласт-4 со структурной формулой (- СF2 - СF2 -)n , где n<10000, а размер фторопластовых частиц в среднем составляет от 0,1 до 0,6 мкм обладает рядом новых технологических характеристик. Из всех известных в мировой практике фторопластосодержащих антифрикционных материалов только такая тонкодисперсная структура позволяет применить качественно новые технологии по созданию полимерных микропленок на поверхностях трения, надежно защищающих металлические поверхности от локального перегрева и износа, агрессивного воздействия компонентов топлива и коррозии.
Проникающая способность субмикронных частиц фторопласта-4 в микрорельеф конструкционных материалов узлов трения столь высока, что позволяет использовать свойство «псевдотекучести» фторопласта, когда частицы запрессовываются в микропо-
ры, микротрещины, микронеровности, зоны выкрашивания и образуют долговечное покрытие.
Ультрадисперсная структура фторопласта обеспечивает возможность формирования на поверхности трения защитных полимерных слоев толщиной не более 1-2 микрона. Столь тонкие пленки практически не изменяют конструктивные размеры детали, находясь в пределах поля допуска детали по чертежу, а зачастую размеры покрытия соизмеримы с шероховатостью поверхности.
Применительно к плунжерным парам топливной аппаратуры ДВС использование фторопластовых покрытий обеспечивает возможность применения кислородосодер-жащих топлив и добавок без замены агрегатов или сложной доработки элементов конструкции. Полимерная структура ультрадисперсного фторопласта-4, запрессованная в микрорельеф деталей эффективно блокирует агрессивное воздействие кислорода даже в условиях высоких давлений и скоростей жидкого топлива, реализуемых в плунжерном насосе.
Процесс формирования покрытий на плунжерных парах топливной аппаратуры ДВС не требует специального оборудования и может быть реализован в топливных агрегатах в отдельных случаях даже без их демонтажа. Ультрадисперсный фторопласт-4 в виде суспензии наиболее дешевое и простое средство доставки ультрадисперсных частиц в зону трения, где и происходит образование фторопластовых покрытий на плунжерных парах топливной аппаратуры.
Помимо возможности использования стандартной топливной аппаратуры для работы ДВС на кислородосодержащих топли-вах, фторопластовые покрытия также позволяют существенно снизить скорость механического износа деталей на 30-40 % за счет уменьшения общих механических потерь на трение до 66 %, что выгодно отличает такие покрытия от традиционных добавок, снижающих трение в кинематических парах [2].
ЛИТЕРАТУРА
1. Ярмакович В. Двигатель требует спирта? http://volqapolitinfo.ru/news priv/13974.
2. Fujita K., Yohida A //Wear. - 1984. - Vol. 95. - Р. 271-286.
