RU2581329C1 - Catalytically active thermal barrier ceramic coating on surface of chamber of internal combustion engine - Google Patents

Catalytically active thermal barrier ceramic coating on surface of chamber of internal combustion engine Download PDF

Info

Publication number
RU2581329C1
RU2581329C1 RU2014140685/02A RU2014140685A RU2581329C1 RU 2581329 C1 RU2581329 C1 RU 2581329C1 RU 2014140685/02 A RU2014140685/02 A RU 2014140685/02A RU 2014140685 A RU2014140685 A RU 2014140685A RU 2581329 C1 RU2581329 C1 RU 2581329C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
internal combustion
combustion engine
coating
catalytically active
layer
Prior art date
Application number
RU2014140685/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Александрович Лебедев
Максим Борисович Иванов
Original Assignee
Дмитрий Александрович Лебедев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Александрович Лебедев filed Critical Дмитрий Александрович Лебедев
Priority to RU2014140685/02A priority Critical patent/RU2581329C1/en
Priority to PCT/RU2014/000802 priority patent/WO2016056943A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2581329C1 publication Critical patent/RU2581329C1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/02Boron or aluminium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J21/04Alumina
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D9/00Electrolytic coating other than with metals
    • C25D9/04Electrolytic coating other than with metals with inorganic materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

FIELD: engines.
SUBSTANCE: invention relates to a wear-resistant catalytically active thermal barrier ceramic coating of parts of internal combustion engine chambers, deposited by micro-arc oxidation. Said coating is double-layer with thickness of 15-150 mcm. First coating layer has thickness 5-100 mcm with aluminium content of not less than 90 mol%. Second porous layer with thickness of 10-100 mcm consists of aluminium oxide and cerium oxide with content of 1 to 50 mol%.
EFFECT: higher reliability and efficiency of chamber of internal combustion engine, higher efficiency of internal combustion engine, reduced emissions of carbon monoxide, carbon dioxide and hydrocarbons into environment.
1 cl

Description

Изобретение относится к износостойким каталитически-активным керамическим покрытиям, которые могут применяться в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).The invention relates to wear-resistant catalytically active ceramic coatings that can be used in internal combustion engines (ICE).

Известен способ приготовления катализатора для очистки выхлопных газов с повышенной активностью и механической прочностью (SU №733717, В01J37/00, опубл. 15.05.1980 г.). В данном способе перед нанесением каталитически активного слоя титановую пластину анодируют в растворах соляной и серной кислот.A known method of preparing a catalyst for cleaning exhaust gases with increased activity and mechanical strength (SU No. 733717, B01J37 / 00, publ. 05/15/1980). In this method, before applying the catalytically active layer, the titanium plate is anodized in solutions of hydrochloric and sulfuric acids.

Недостатком является то, что данный способ позволяет получать оксидный пористый слой только на титане.The disadvantage is that this method allows to obtain an oxide porous layer only on titanium.

Известен способ получения защитного покрытия (RU №2089655, С23С 14/06, опубл. 10.09.1997 г.), включающий последовательное нанесение двух металлических и керамического слоев, при этом металлические слои наносят в вакууме и после нанесения металлического слоя проводят диффузионный вакуумный отжиг, керамический слой наносят толщиной 70-300 мкм, после чего керамический слой покрытия упрочняют высокотемпературной импульсной плазмой с последующим окислительным отжигом при температуре не менее 1050°С не менее 5 часов.A known method of obtaining a protective coating (RU No. 2089655, C23C 14/06, publ. 09/10/1997), comprising the sequential deposition of two metal and ceramic layers, the metal layers are applied in vacuum and after applying the metal layer conduct diffusion vacuum annealing, the ceramic layer is deposited with a thickness of 70-300 μm, after which the ceramic coating layer is hardened by high-temperature pulsed plasma, followed by oxidative annealing at a temperature of at least 1050 ° C for at least 5 hours.

Однако такое покрытие ненадежно и недолговечно при работе, так как при получении покрытия данным способом в керамическом слое наблюдается наличие дефектов в виде каналов и полостей, через которые происходит доступ кислорода рабочей (газовой среды) к металлу и, как следствие, окисление металлического покрытия под керамикой, что приводит к отслоению керамики и ее преждевременному растрескиванию.However, such a coating is unreliable and short-lived during operation, since upon receipt of the coating by this method in the ceramic layer there are defects in the form of channels and cavities through which oxygen of the working (gaseous medium) accesses the metal and, as a result, oxidation of the metal coating under the ceramic , which leads to the delamination of the ceramics and its premature cracking.

Известен способ получения защитного покрытия на деталях (RU №2305034, С23С 14/28, опубл. 27.08.2007 г.). На поверхность детали наносят по меньшей мере один металлический слой. Затем проводят алитирование или хромоалитирование. После этого наносят керамический слой на основе оксида циркония, содержащего оксид иттрия. Упрочнение керамического слоя осуществляют путем нанесения на него по меньшей мере трех керамических слоев на основе оксида циркония, содержащих 6-9% оксида иттрия и 3-30% оксида алюминия. Данный способ позволяет повысить надежность и долговечность защитного покрытия.A known method of obtaining a protective coating on the parts (RU No. 2305034, C23C 14/28, publ. 08.27.2007). At least one metal layer is applied to the surface of the part. Then carry out alitization or chromoalithium. After that, a ceramic layer based on zirconium oxide containing yttrium oxide is applied. The hardening of the ceramic layer is carried out by applying at least three ceramic layers based on zirconium oxide containing 6-9% yttrium oxide and 3-30% aluminum oxide. This method improves the reliability and durability of the protective coating.

В отличие от заявляемого каталитически-активного покрытия, наносимого на поршень ДВС, в состав аналога не добавляется оксид церия, являющийся эффективным катализатором, ускоряющим процесс и полноту сгорания топлива, что необходимо при работе двигателя. Также в аналогичном изобретении слои покрытия наносятся способами, такими как вакуумно-плазменный, диффузионный, электронно-лучевой, катодного и лазерного напыления, в нашем изобретении покрытие формируется методом микродугового (плазменного электролитического) оксидирования, данный метод характеризуется более высокой адгезионной стойкостью, стойкостью к термоударам и термоциклированию.Unlike the claimed catalytically active coating applied to the internal combustion engine piston, cerium oxide is not added to the analogue composition, which is an effective catalyst accelerating the process and completeness of fuel combustion, which is necessary when the engine is running. Also in a similar invention, the coating layers are applied by methods such as vacuum-plasma, diffusion, electron-beam, cathode and laser sputtering, in our invention, the coating is formed by the method of microarc (plasma electrolytic) oxidation, this method is characterized by higher adhesion resistance, resistance to thermal shock and thermal cycling.

Ближайшим аналогом является способ получения оксидных каталитически активных слоев и каталитически активный материал, полученный данным способом (RU №2152255 С1, МПК В01J 37/34, 10.07.2000 г.). Способ получения оксидных каталитически активных слоев на подложке, выполненной из вентильного металла или его сплава, преимущественно из алюминия, путем окислительной обработки подложки в электролите. В качестве окислительной обработки используют процесс микродугового оксидирования в щелочном электролите с добавками ультрадисперсных порошков оксидов металлов и солей переходных металлов. Полученный данным способом материал обладает высокой развитой поверхностью за счет получаемой структуры оксидных слоев, а также значительной термостойкостью и износостойкостью.The closest analogue is a method for producing oxide catalytically active layers and catalytically active material obtained by this method (RU No. 2152255 C1, IPC BJ 37/34, July 10, 2000). The method of producing oxide catalytically active layers on a substrate made of valve metal or its alloy, mainly aluminum, by oxidizing the substrate in an electrolyte. The process of microarc oxidation in an alkaline electrolyte with the addition of ultrafine powders of metal oxides and transition metal salts is used as the oxidation treatment. The material obtained by this method has a high developed surface due to the resulting structure of the oxide layers, as well as significant heat resistance and wear resistance.

Задачей, стоящей перед авторами, является повышение надежности и эффективности в работе камеры двигателя внутреннего сгорания двигателя, увеличение коэффициента полезного действия (КПД) ДВС, снижение уровня выбросов угарного газа (СО), углекислого газа (СО2) и углеводородов в окружающую среду.The challenge facing the authors is to increase the reliability and efficiency of the internal combustion engine of the engine, increase the efficiency (ICE) of the internal combustion engine, reduce emissions of carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) and hydrocarbons into the environment.

Поставленная задача решается благодаря каталитически-активному керамическому термобарьерному покрытию, формируемому методом микродугового (плазменного электролитического) оксидирования, на поршне и сфере головки цилиндра камеры сгорания ДВС.The problem is solved thanks to the catalytically active ceramic thermal barrier coating formed by the method of microarc (plasma electrolytic) oxidation on the piston and cylinder head of the combustion chamber of the internal combustion engine.

Сущность изобретения состоит в формировании каталитически-активного керамического термобарьерного двухслойного покрытия, состоящего в основном из оксида алюминия и оксида церия, методом микродугового (плазменного электролитического) оксидирования на поршне и сфере головки цилиндра камеры сгорания ДВС.The essence of the invention consists in the formation of a catalytically active ceramic thermal barrier two-layer coating, consisting mainly of aluminum oxide and cerium oxide, by the method of microarc (plasma electrolytic) oxidation on the piston and the cylinder head sphere of the ICE combustion chamber.

Оксидные слои, получаемые методом микродугового оксидирования, характеризуются высокой адгезией, стойкостью к термоударам и термоциклированию.The oxide layers obtained by the microarc oxidation method are characterized by high adhesion, resistance to thermal shock, and thermal cycling.

Оксид церия, а также его бинарные и тройные оксиды (в том числе с алюминием) являются эффективными катализаторами конверсии углеводородов и угарного газа (СО) при достаточно низких температурах (порядка 500°С, что соответствует условиям камеры двигателя внутреннего сгорания), ускоряющими процесс и полноту горения топлива.Cerium oxide, as well as its binary and ternary oxides (including with aluminum) are effective catalysts for the conversion of hydrocarbons and carbon monoxide (CO) at sufficiently low temperatures (about 500 ° C, which corresponds to the conditions of the chamber of an internal combustion engine), accelerating the process and completeness of fuel combustion.

Техническое решение изобретения.The technical solution of the invention.

На поршне и сфере головки цилиндра камеры сгорания ДВС методом микродугового (плазменного электролитического) оксидирования формируется двухслойное каталитически-активное термобарьерное керамическое покрытие толщиной 15-150 мкм. Первый (внутренний) слой покрытия, толщиной 5-100 мкм, состоит в основном из алюминия (не менее 90 мол.%) и контактирует непосредственно с металлом, из которого изготовлен поршень и головка сферы камеры ДВС. Первый слой имеет высокую твердость и износостойкость. Второй (внешний) пористый слой, толщиной 10-100 мкм, состоит из оксида алюминия, оксида кремния и оксида церия в мольной доле от 1 до 50%. Второй слой имеет высокую адгезионную прочность, стойкость к термоударам и термоциклированию, также обладает термобарьерным и каталитическим эффектом. Дополнительно покрытие может содержать оксиды меди и магния.A two-layer catalytically active thermal barrier ceramic coating with a thickness of 15-150 microns is formed on the piston and the sphere of the cylinder head of the combustion engine of the internal combustion engine by the method of microarc (plasma electrolytic) oxidation. The first (inner) coating layer, 5-100 microns thick, consists mainly of aluminum (at least 90 mol.%) And is in direct contact with the metal of which the piston and the head of the ICE chamber sphere are made. The first layer has high hardness and wear resistance. The second (outer) porous layer, 10-100 microns thick, consists of aluminum oxide, silicon oxide and cerium oxide in a mole fraction of 1 to 50%. The second layer has high adhesive strength, resistance to thermal shock and thermal cycling, and also has a thermal barrier and catalytic effect. Additionally, the coating may contain oxides of copper and magnesium.

Техническим эффектом от использования каталитически-активного керамического термобарьерного покрытия в работе камеры двигателя внутреннего сгорания двигателя является:The technical effect of the use of a catalytically active ceramic thermal barrier coating in the operation of the chamber of an internal combustion engine is:

- повышение температуры в камере сгорания;- increase in temperature in the combustion chamber;

- увеличение полноты сгорания топлива;- increase the completeness of fuel combustion;

- снижение уровня выбросов угарного газа (СО), углекислого газа (СО2) и углеводородов в окружающую среду;- reduction of emissions of carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) and hydrocarbons in the environment;

- уменьшение тепловой нагрузки на систему охлаждения и другие детали двигателя;- reduction of thermal load on the cooling system and other engine parts;

- как следствие, увеличение КПД ДВС.- as a result, an increase in the efficiency of ICE.

Таким образом, задача, стоящая перед авторами по повышению надежности и эффективности в работе камеры двигателя внутреннего сгорания двигателя, увеличению коэффициента полезного действия (КПД) ДВС, снижению уровня выбросов угарного газа (СО), углекислого газа (СО2) и углеводородов в окружающую среду, выполнена.Thus, the task facing the authors is to increase the reliability and efficiency of the engine’s internal combustion engine chamber, increase the internal combustion engine’s efficiency (COP), and reduce the level of carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) and hydrocarbon emissions into the environment completed.

Claims (1)

Износостойкое каталитически-активное термобарьерное керамическое покрытие деталей камеры двигателя внутреннего сгорания, нанесенное методом микродугового оксидирования, отличающееся тем, что покрытие является двухслойным толщиной 15-150 мкм, при этом первый слой покрытия выполнен толщиной 5-100 мкм с содержанием алюминия не менее 90 мол.%, а второй пористый слой толщиной 10-100 мкм состоит из оксида алюминия и оксида церия с содержанием от 1 до 50 мол.%. Wear-resistant catalytically active thermal barrier ceramic coating of parts of the chamber of an internal combustion engine, applied by microarc oxidation, characterized in that the coating is a two-layer thickness of 15-150 μm, while the first coating layer is made of 5-100 μm thickness with an aluminum content of at least 90 mol. %, and the second porous layer with a thickness of 10-100 μm consists of aluminum oxide and cerium oxide with a content of from 1 to 50 mol.%.
RU2014140685/02A 2014-10-09 2014-10-09 Catalytically active thermal barrier ceramic coating on surface of chamber of internal combustion engine RU2581329C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014140685/02A RU2581329C1 (en) 2014-10-09 2014-10-09 Catalytically active thermal barrier ceramic coating on surface of chamber of internal combustion engine
PCT/RU2014/000802 WO2016056943A1 (en) 2014-10-09 2014-10-23 Catalytically active coating on the surface of an internal combustion engine chamber

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014140685/02A RU2581329C1 (en) 2014-10-09 2014-10-09 Catalytically active thermal barrier ceramic coating on surface of chamber of internal combustion engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2581329C1 true RU2581329C1 (en) 2016-04-20

Family

ID=55653436

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014140685/02A RU2581329C1 (en) 2014-10-09 2014-10-09 Catalytically active thermal barrier ceramic coating on surface of chamber of internal combustion engine

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2581329C1 (en)
WO (1) WO2016056943A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2763137C1 (en) * 2021-02-11 2021-12-27 Акционерное общество "ЗЕНТОРН" Catalytically active thermal barrier ceramic modification layer on the surface of the bottom of the piston, and/or sphere, and/or exhaust channels of the internal combustion engine head and the method for its formation

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110453228A (en) * 2019-08-19 2019-11-15 西南交通大学 A kind of preparation method of depth narrow-gap gas metal arc welding ignition tip
CN113294261B (en) * 2021-06-29 2022-08-23 潍柴动力股份有限公司 Cylinder cover, coating preparation device and coating preparation method

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2152255C1 (en) * 1998-07-14 2000-07-10 Мамаев Анатолий Иванович Method of preparing catalytically active layers and catalytically active material prepared by this method
RU2275962C1 (en) * 2004-12-09 2006-05-10 Институт физико-химических проблем керамических материалов Российской академии наук (ИПК РАН) Method of preparing catalyst for treating internal combustion engine exhaust gases and catalyst prepared by this method
EP1657326A1 (en) * 2004-11-16 2006-05-17 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Aluminium- or magnesium-piston containing 12-25% Silicon, the surface of which is oxidised by microarc-oxidation
CN1928341A (en) * 2006-02-20 2007-03-14 山东华盛农业药械股份有限公司 Method of producing aluminum alloy cylinder
RU2515727C2 (en) * 2010-09-09 2014-05-20 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка Россельхозакадемии (ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии) Method of obtaining nanostructured catalytic coatings on ceramic carriers for neutralisation of waste gasses of internal combustion engines

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2152255C1 (en) * 1998-07-14 2000-07-10 Мамаев Анатолий Иванович Method of preparing catalytically active layers and catalytically active material prepared by this method
EP1657326A1 (en) * 2004-11-16 2006-05-17 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Aluminium- or magnesium-piston containing 12-25% Silicon, the surface of which is oxidised by microarc-oxidation
RU2275962C1 (en) * 2004-12-09 2006-05-10 Институт физико-химических проблем керамических материалов Российской академии наук (ИПК РАН) Method of preparing catalyst for treating internal combustion engine exhaust gases and catalyst prepared by this method
CN1928341A (en) * 2006-02-20 2007-03-14 山东华盛农业药械股份有限公司 Method of producing aluminum alloy cylinder
RU2515727C2 (en) * 2010-09-09 2014-05-20 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка Россельхозакадемии (ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии) Method of obtaining nanostructured catalytic coatings on ceramic carriers for neutralisation of waste gasses of internal combustion engines

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2763137C1 (en) * 2021-02-11 2021-12-27 Акционерное общество "ЗЕНТОРН" Catalytically active thermal barrier ceramic modification layer on the surface of the bottom of the piston, and/or sphere, and/or exhaust channels of the internal combustion engine head and the method for its formation

Also Published As

Publication number Publication date
WO2016056943A1 (en) 2016-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5696351B2 (en) Engine combustion chamber structure
US8893693B2 (en) Internal combustion engine and method of producing same
US9863312B2 (en) Internal combustion engine and manufacturing method therefor
JP5642640B2 (en) Internal combustion engine and manufacturing method thereof
Garud et al. Performance and CombustionCharacteristics of thermal barrier coated (YSZ) low heat rejection diesel engine
RU2581329C1 (en) Catalytically active thermal barrier ceramic coating on surface of chamber of internal combustion engine
JP2014040820A (en) Heat insulating structure of member facing engine combustion chamber, and method of manufacturing the same
JP5607582B2 (en) Manufacturing method of engine valve
CN105463453A (en) Thermal barrier coating with stable interface and manufacturing method of thermal barrier coating
CN105734500A (en) High temperature oxidation-resistant thermal barrier coating layer with composite structure and preparation method thereof
WO2022206793A1 (en) Composite coating, piston, engine and vehicle
JP5718774B2 (en) piston
JP6260492B2 (en) Manufacturing method of piston for direct injection engine
JPH0143145B2 (en)
Sivakumar et al. Is thermal barrier coating for low heat rejection in SI engines or diesel engines
RU2402639C1 (en) Procedure for application of combined heat insulated coating on parts out of heat resistant alloys
JP5966977B2 (en) Method for forming a heat insulating layer of an engine
RU155143U1 (en) PISTON OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH CATALYTIC-ACTIVE THERMAL BARRIER CERAMIC COATING.
RU2763137C1 (en) Catalytically active thermal barrier ceramic modification layer on the surface of the bottom of the piston, and/or sphere, and/or exhaust channels of the internal combustion engine head and the method for its formation
CN211079339U (en) Thermal barrier coating with long service life
WO2016056942A1 (en) Internal combustion engine cylinder head sphere with ceramic coating
RU2439211C1 (en) Method for treatment of pistons of internal combustion engines made of aluminium, titanium and their alloys
RU165036U1 (en) Piston for internal combustion engine with catalytically active thermal barrier ceramic coating on the surface of the bottom, piston skirt and piston ring grooves
RU2496911C2 (en) Method of applying heat coating of nickel or cobalt alloy on gas turbine parts
JP2013170555A (en) Heat insulation structure and method of manufacturing the same

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171010

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20210201