Снижение токсичности отработавших газов в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания

Введение (постановка задачи и актуальность). Задача снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является актуальной проблемой современного двигателестроения. Однако потенциал каталитических нейтрализаторов ограничен и почти исчерпан. Авторами работы исследуется возможность частичного снижения токсичности отработавших газов непосредственно в камере сгорания двигателя, посредством керамического покрытия, сформированного на днище поршня.

Цель работы – исследование влияния покрытия, сформированного методом микродугового оксидирования на деталях камеры сгорания на токсичность отработавших газов ДВС.

Методология и методы. Применён экспериментальный метод исследования. Исследования проводились на двигателе РМЗ-551i. Моторные испытания осуществлялись на различных нагрузочных режимах: частота вращения изменялась от 2000 до 6000 мин^-1, а доля открытия дроссельной заслонки составляла 25, 50, 75 и 100% на каждом скоростном режиме.

Результаты. В работе представлены экспериментальные данные, доказывающие реальную возможность снижения токсичности отработавших газов ДВС за счёт формирования керамического покрытия на днище поршня. Отмечено относительное снижение на 3,1% концентрации окиси углерода в отработавших газах при использовании покрытий на поршнях по сравнению с использованием штатных поршней. Одновременно с уменьшением количества СО отмечается относительное увеличение концентрации углекислого газа СО₂ на 2,1%.

Практическая значимость. Представленные экспериментальные данные, полученные при моторных испытаниях, показали возможность частичного снижения количества токсичных компонентов отработавших газов непосредственно в камере сгорания за счёт покрытия, формируемого методом микродугового оксидирования на днище поршня.

1. Cheung K.L., Ntziachristos L., Tzamkiozis T., Schauer J.J., Samaras Z., Moore K.F., Sioutas C. Emissions of particulate trace elements, metals and organic species from gasoline, diesel, and biodiesel passenger vehicles and their relation to oxidative potential // Aerosol Science and Technology. – 2010. – No. 44 (7). – P. 500–513.

2. Кривопалов В.В., Максакова И.В., Фомин В.В. Образование оксидов азота в камерах сгорания современных ДВС и способы снижения их содержания в отработавших газах // Вестник ЮУрГУ. – 2012. – № 12. – С. 86–92.

3. Regulation of the European Parliament and of the Council No. 715/2007 // Offi cial Journal of the European Union. – 2007. – L. 171.

4. Камерлохер В.А., Осинцев А.И., Беляева А.А. К вопросу токсичности двигателей внутреннего сгорания // Молодой учёный. – 2015. – № 12.1 (92.1). – С. 33–36.

5. Панчишный В.И., Воробьёв И.Ю. К вопросу о моделировании систем нейтрализации автомобильных дизелей // Труды НАМИ. – 2018. – № 4. – С. 23–37.

6. Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания: учеб. пособие. – М.: Изд-во РУДН, 1998. – 214 с.

7. In-cylinder catalysts are a new approach to reducing hydrocarbon emissions from spark ignition engines. URL: https://saemobilus.sae.org/content/952419/ (дата обращения: 24.02.2022).

8. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности в двигателе внутреннего сгорания: пат. 2220299 Росс. Федерация, № 2000124171/06; заявл. 19.02.99; опубл. 27.12.03, Бюл. № 36.

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

10. Марченко А.П., Шпаковский В.В. Влияние корундового слоя на рабочих поверхностях поршней на процесс сгорания в ДВС // Двигатели внутреннего сгорания. – 2011. – № 2. – С. 24–28.

11. Звонов В.А., Корнилов Г.С., Васильев И.П., Козлов А.В. Улучшение экологических показателей автомобильных дизелей путём применения внутрицилиндрового катализа // Приводная техника. – 2004. – № 2. – С. 18–23.

12. Ciniviz M., Salman M.S. Ceramic coating applications and research fields for internal combustion engines // Ceramic Coatings – Applications in Engineering. – P. 195–234.

13. Dudareva N.Yu., Ivashin P.V., Gallyamova R.F., Tverdokhlebov A.Ya., Krishtal M.M. Structure and Thermophysical Properties of Oxide Layer Formed by Microarc Oxidation on AK12D Al-Si Alloy // Metal Science and Heat Treatment. – 2021. – No. 62. – P. 701–708.

14. Суминов И.В., Белкин П.Н., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов A.M. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. – М.: Техносфера, 2011. – Т. 2. – 512 с.

15. Curran J.A., Kalkanc H., Magurova Yu., Clyne T.W. Mullite-rich plasma electrolytic oxide coatings for thermal barrier applications // Surface and Coatings Technology. – 2007. – No. 201. – P. 8683–8687.

16. Zhao X., Jun X., Deng F. Solid-state NMR for metal-containing zeolites: From active sites to reaction Mechanism // Frontiers of Chemical Science and Engineering. – 2020. – No. 14 (2). – P. 159–187.

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

18. Бочкарев В.В. Теория химико-технологических процессов органического синтеза. Гетерофазные и гетерогенно-каталитические реакции: учеб. пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – 118 с.

19. Curran J.A., Clyne T.W. Porosity in plasma electrolytic oxide coatings // Acta Materialia. 2006. – No. 54/7. – Р. 1985–1993.

20. Curran J.A., Clyne T.W. The Thermal Conductivity of Plasma Electrolytic Oxide Coatings on Aluminium and Magnesium // Surface & Coatings Technology. – 2005. – No. 199. – Р. 177–183.

21. Musin N., Dudareva 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 // MATEC Web of Conferences. – 2018. – No. 224, 03008.

22. Коршунов Г.И., Сольницев Р.И. Математическое и методическое обеспечение экосистемы инноваций в проблеме нейтрализации отработавших газов автомобиля // Инновации. – 2015. – № 11 (205). – С. 125–128.

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

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

25. Двигатель РМЗ-551i (инжектор). URL: https://snow-way.su/product/dvigatel-rmz-551i-k20500610zch-inzhektor/ (дата обращения: 04.10.2022).

26. Pistons and engine testing. Wiesbaden: ATZ/MTZ-Fachbuch // Vieweg+Teubner Verlag. – 2012. – P. 59.

27. Способ получения толстослойных теплозащитных покрытий методом микродугового оксидирования на высококремнистом алюминиевом сплаве: пат. 2694441 Росc. Федерация, № 2018135146; заявл. 04.10.2018; опубл. 15.07.2019, Бюл. № 20.

28. Устройство для обработки днища поршня двигателя внутреннего сгорания микродуговым оксидированием: пат. 187636 Росc. Федерация; № 2018127073; заявл. 23.07.18; опубл. 14.03.19, Бюл. № 8.

29. ImageJ (1997) Research Services Branch of the National Institute of Mental Health. URL: https://imagej.nih.gov/ij/ (дата обращения: 25.03.2022).

30. Dehnavi V., Liu X.Y., Li Luan B., D.W., Rohani S. Phase transformation in plasma electrolytic oxidation coatings on 6061 aluminum alloy // Surface and Coatings Technology. – 2014. – No. 251. – Р. 106−114.

31. Crystallography Open Database. URL: http://www.crystallography.net (дата обращения: 25.03.2022).

32. Shackelford J.F., Doremus R.H. Ceramic and Glass Materials. Structure, Properties and Processing. – New York: Springer, 2008. – 201 p.